Comité pour les «Economies dans les barrages» ____________

Bulletin : «Economies dans les barrages»

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1 INTRODUCTION 1.1 Depuis 1950, les investissements dans le monde concernant les barrages ont été de l’ordre de 30 à 40 milliards d’USD (valeur 2008) par an et totalisent donc à présent 2 000 milliards d’USD. Selon les analyses de la CIGB sur le rôle des barrages au 21ème siècle et les tendances actuelles, il est probable que ce taux annuel d’investissement se poursuivra dans les prochaines décennies et pourra même s’accroître. La plupart de ces investissements auront lieu dans les pays en développement pour atteindre peut-être 500 milliards d’USD dans les 20 prochaines années. Pour les raisons analysées ci-dessous, il est souvent difficile de sélectionner et d’optimiser, pour chaque barrage, les projets qui correspondent à un coût minimal. La marge d’économie potentielle a été estimée jusqu’à 20 % en moyenne (CIGB Bulletin 73), soit une valeur de 100 milliards d’USD pour les 20 prochaines années. Cette marge est grande pour les barrages pour les raisons suivantes: - Les conditions locales ne sont pas toujours les mêmes et chaque barrage, construit avec des

matériaux locaux, demande un projet qui lui est propre afin d’obtenir l’économie maximale. - Il y a beaucoup de variantes telles que : location précise, disposition générale, type de

barrage, données particulières, traitement des fondations, gestion des crues, spécifications, programme de construction, prise en compte de la sédimentation, etc. De plus les progrès techniques et les changements économiques permettent des solutions innovantes qui n’ont pas toujours été envisagées. Par ailleurs, des comparaisons entre différentes solutions ne sont pas toujours faciles. Non seulement les prix unitaires (par exemple pour les remblais, les enrochements et même les bétons) varient sur chaque site, mais même pour un site donné, ils varient avec les facteurs déjà indiqués ci-dessus. Le projeteur n’est donc pas capable d’évaluer facilement l’influence relative de tous ces facteurs.

- Dans la plupart des industries, les fabricants coopèrent avec les projeteurs pour optimiser les

coûts, tandis que les constructeurs de barrages ne sont généralement pas impliqués au stade du projet.

- Il y a souvent une compétition sévère pour choisir le consultant, basée sur la minimisation

du coût de ses services. Ceci peut tendre à réduire le coût de l’étude, mais il n’y a pas de compétition pour choisir et optimiser le meilleur projet pour le barrage. Cette procédure ne favorise pas l’optimisation de coût du barrage de la même manière que pour d’autres activités de construction telles que les bâtiments, les ponts, les ouvrages en mer et les tunnels. Par ailleurs, on n’a recours à certaines solutions nouvelles et efficaces que lorsque les solutions traditionnelles sont difficiles à appliquer. Par exemple, les solutions qui ont à présent la faveur, comme le Béton Compacté au Rouleau (BCR) ou le barrage en enrochement à masque amont en béton (BEMB), étaient techniquement possibles et

économiquement justifiées dès 1960, mais n’ont été complètement développées que 20 ou 30 ans plus tard.

- Beaucoup de projets sont basés sur d’anciens critères ou des règlements peu adaptés aux connaissances actuelles et aux conditions existantes dans les pays où les futurs barrages seront construits.

Pour aider à éviter ces inconvénients, la CIGB s’est focalisée sur le problème de l’économie dans les barrages grâce à deux comités techniques qui ont produit : - Deux bulletins généraux: 73: Economie dans la construction des barrages (1989)

83: Evolution des barrages. Influence des coûts (1992) - Et six bulletins spécifiques: 85: Maîtres d’ouvrages, consultants et entrepreneurs (1992) 108: Coût de la maîtrise des crues dans les barrages (1997) 109: Barrages de moins de 30 m de hauteur (1997) 110: Influence des règles, critères et spécifications sur les coûts (1997) 117: Le barrage-poids, un barrage pour l’avenir (2000) E02: Mesures non structurelles pour la réduction des risques (2001) Ceci représente environ 20 % des bulletins publiés par la CIGB au cours de ces 12 années. En 2005, le Président de la CIGB a mis en place un «Comité Ad Hoc sur les économies dans les projets de barrage» pour «réviser les Bulletins 73 et 83 en prenant en compte les leçons tirées de la Question 84 du Congrès de Barcelone». En juin 2006, la mise en place de ce comité a été approuvée lors de la Réunion de la Commission Exécutive de la CIGB et le Congrès de Barcelone ; la Question 84 (solutions techniques pour réduire les coûts et les délais dans le projet et la construction des barrages) avait soulevé un grand intérêt puisqu’elle a reçu 50 % plus de rapports que pour les autres Questions des Congrès. Le présent bulletin reprend par conséquent les Bulletins 73 et 83 ; il utilise les leçons de la Question 84 et prend aussi en compte les six autres bulletins spécifiques sur les réductions de coûts mentionnés ci-dessus. Il s’applique à des barrages variés, à l’exception des barrages en stériles miniers pour lesquels les problèmes et les solutions sont très différents. Ce bulletin est consacré à: - L’identification et la réduction des facteurs non techniques existants qui sont préjudiciables

aux économies. - Les opportunités techniques pour l’innovation et les économies dans les projets de barrages

de grande et de faible hauteur. Ce bulletin est basé sur une analyse préliminaire des : - Barrages existants. - Tendances actuelles dans la construction des barrages. - Barrages futurs probables avec leurs conditions économiques et physiques les plus

courantes.

Un bulletin complémentaire sera consacré aux barrages prévus dans des conditions très spécifiques pour lesquelles les critères de projet et les solutions peuvent être aussi spécifiques, tels que : - Barrages de faible hauteur sur de très grandes rivières. - Barrages utilisés uniquement pour l’écrêtement des crues. - Barrages en mer. - Barrages avec des problèmes de sédimentation significatifs. - Barrages construits dans des conditions climatiques très sévères. - Très petits barrages en remblai. - Economies concernant l’amélioration des barrages existants. 1.2 Barrages existants Le volume total des réservoirs existants est de 7 000 km3. 80 % de celui ci est consacré uniquement à l’hydroélectricité, 10 % sont pour les autres buts et 10 % pour l’hydroélectricité associée à d’autres buts. Le stockage pour produire chaque nouveau kWh diminuera pour les nouveaux barrages : les meilleurs sites ayant déjà été utilisés dans beaucoup de pays, on préfèrera remplacer un barrage de grande hauteur par plusieurs petits barrages pour réduire les problèmes de déplacement des populations. Le nombre de grands barrages pour l’irrigation est plus élevé que celui pour l’hydroélectricité mais le volume total stocké est beaucoup plus faible, de même le volume total des réservoirs pour stocker l’eau potable et pour la protection contre les crues est plutôt faible. Parmi les 1 500 barrages de plus de 60 m de hauteur, construits avant 1960, 1 200 ont été construits dans les pays industrialisés, avec surtout des barrages en béton pour l’hydroélectricité. Parmi les 35 000 barrages de hauteur inférieure à 60 m, 80 % sont de petits barrages en terre, principalement pour l’irrigation, construits par une main d’œuvre bon marché dans les pays en développement.

Après 1980, 1 500 barrages de hauteur supérieure à 60 m ont été construits, pour la plupart dans les pays en développement, à l’aide d’équipements mécanisés. La grande majorité des 10 000 barrages de hauteur inférieure à 60 m sont des barrages en terre construits alors aussi dans les pays en développement en utilisant progressivement des engins. Après l’an 2000 presque tous les barrages ont été construits avec du matériel lourd et avec un bon compactage. 1.3 Barrages en construction En 2006, 350 barrages de plus de 60 m de hauteur étaient en construction, dont 80 % dans les pays en développement. Environ 50 % étaient des barrages en enrochements, 25 % des barrages-poids en béton, 15 % des barrages en terre et 10 % des barrages-voûtes. Parmi les 35 barrages de plus de 150 m de hauteur en construction, 50 % étaient des barrages en enrochements, 30 % des barrages-voûtes et 20 % des barrages-poids en béton. 2 000 autres barrages de moins de 60 m de hauteur étaient aussi en construction. La plupart étaient des barrages en terre construits dans les pays en développement avec du matériel lourd.

Comme dans le passé, la plus grande partie des investissements actuels dans la construction des barrages dans le monde est consacrée à l’hydroélectricité et l’irrigation, le reste étant pour la fourniture d’eau potable, le contrôle des crues ou d’autres buts. La plus grande partie des bénéfices obtenus dans la lutte contre les inondations provient des barrages à buts multiples, mais ces bénéfices varient considérablement selon les pays. 1.4 Barrages futurs Les barrages qui seront construits dans les prochaines décennies auront aussi pour buts principaux : l’hydroélectricité, le stockage d’eau pour l’irrigation, les eaux potable et industrielle, le soutènement des étiages et l’écrêtement des crues. Il est probable que beaucoup d’investissements pour les barrages dans le monde seront pour l’hydroélectricité. Le productible mondial est à présent voisin de 3 000 TWh et le potentiel supplémentaire économiquement faisable de 5 000 à 7 000 TWh. Le coût du fuel et le réchauffement climatique favoriseront son développement rapide. 2 000 TWh sont en construction ou identifiés. 50 % de ce potentiel sont en Asie, 20 % en Afrique, 20 % en Amérique du Sud, 10 % en Europe et Amérique du Nord. 80 % se trouvent dans 9 pays : la Chine (30 %), la Russie, le Brésil, l’Inde, le Congo, l’Ethiopie, le Pérou, le Tadjikistan et le Canada. De 50 à 100 TWh seront ajoutés chaque année, au moins jusqu’en 2050, pour un investissement annuel de plus de 20 milliards d’USD. Environ 80 % de cet investissement seront pour de gros aménagements avec un productible de 1 TWh ou plus, situés dans des bassins versants de plusieurs milliers de km². La plupart de ces barrages seront dans des pays avec des saisons des pluies plutôt courtes mais avec des crues énormes. La plupart des retenues retiendront une portion plutôt faible de la crue annuelle et produiront à pleine capacité pendant 4 mois de l’année, avec principalement de la puissance de pointe durant la saison sèche. Cette capacité réduite provoquera, en beaucoup d’endroits, des envasements à court terme. L’impact de ce problème sur le projet de base devra être mieux étudié que pour beaucoup d’anciens projets. Beaucoup de barrages seront dans des zones difficiles, par exemple près de l’Himalaya (avec des difficultés d’accès, une forte séismicité et soumis au risque de rupture des barrages naturels à l’amont) ou dans des zones froides (Russie, Canada.) Beaucoup de barrages peuvent être de grande hauteur, mais il y aura aussi des barrages de basse chute sur de grands fleuves pour réduire les obligations de relogement des populations. La construction de ces barrages sera hautement mécanisée, cependant, dans la plupart des pays concernés, le coût de la main d’œuvre est à présent très bas (moins d’un USD par heure), même pour des ouvriers qualifiés, et n’atteindra les taux des pays industrialisés que dans quelques décennies. Ceci peut favoriser certains types d’ouvrages ou de méthodes de construction faisant appel à une main d’œuvre nombreuse comme pour le béton armé. Une part significative de l’hydroélectricité pourra être prise par les stations de pompage fonctionnant entre deux retenues. Celles ci pourront être nécessaires dans beaucoup de pays pour réguler de fortes productions de base ou à cause de la production intermittente des énergies renouvelables, telles que les fermes d’éoliennes ou d’électricité photovoltaïque. - Les barrages pour l’irrigation retiennent d’habitude une partie importante des apports

annuels, souvent plus de 200 000 m3 par km² de bassin versant, avec une profondeur moyenne des réservoirs souvent comprise entre 5 et 25 m. Les bassins versants sont en général compris entre 10 et 1 000 km²; les évacuateurs de crues sont généralement non

vannés avec une perte de capacité comprise entre 20 et 40 %. Leur conception pourrait, dans beaucoup de cas, être améliorée par une ou plusieurs de ces propositions :

� Meilleur projet d’évacuateur de crues pour réduire les pertes de volume de la

retenue. � Meilleure utilisation des barrages stockant une grande partie de la crue

annuelle pour l’écrêtement des crues. � Meilleure gestion des dépôts solides pour les barrages stockant une faible

partie de la crue annuelle, avec par exemple une évacuation des apports par des pertuis de fond.

- La lutte contre les inondations peut être améliorée par :

� La conception et l’exploitation des barrages à buts multiples, vannés ou non, prenant en compte les informations provenant des systèmes modernes de prévision du temps et des crues.

� La conception spécifique des barrages servant uniquement à écrêter les crues. De grandes économies peuvent être faites pour ces barrages qui ne sont utilisés que quelques jours par siècle et qui peuvent s’accommoder d’une étanchéité limitée.

Quelques nouvelles opportunités peuvent apparaître avec l’utilisation des barrages en mer, pour le stockage d’énergie, les grandes centrales marémotrices ou la protection des côtes contre les effets des typhons, tsunamis et/ou élévation du niveau général des mers.

2 FACTEURS NON TECHNIQUES

2.1 Généralités Durant la réalisation du projet de barrage et de la retenue, il y a un certain nombre d’étapes distinctes, chacune d’elles aura un rapport direct avec le coût. Les décisions prises au début peuvent avoir une influence sur le coût qui s’étalera jusqu’à l’achèvement du projet. Les décisions qui suivent peuvent aussi rendre une étape particulière plus onéreuse que nécessaire. Les chapitres ci-après considèreront les philosophies valables pour assurer l’efficacité des coûts à chaque étape et pour lever les barrières qui empêchent parfois les économies. Par commodité, elles seront exposées selon l’ordre chronologique normal depuis la conception jusqu’à l’achèvement du projet. Généralement, ces étapes peuvent être résumées comme suit :

- Identification du besoin. - Conception du projet, au sens large, et options. - Approbation et autorisation. - Projet et spécification. - Construction.

Les mesures d’économie basées sur des considérations relatives à la construction seule sont limitées. Les possibilités d’économie, lors des différentes étapes indiquées ci-dessus, sont résumées dans cette section. De plus, des mesures d’économie substantielles peuvent être obtenues en considérant successivement le planning, la conception et les phases de construction. De telles mesures peuvent être considérées en général dans les sous-catégories suivantes :

- Concepts pour réduire le coût dans la phase du planning. - Revue des normes techniques et des documents guides. - Revue du projet et des méthodes de construction. - Promotion des développements techniques.

Dans certains cas, comme pour la conception et les spécifications, les sujets sont traités séparément pour la clarté de l’exposé, alors qu’en réalité on montrera que toutes les étapes sont interdépendantes et forment un processus continu qui, de façon idéale, devrait être traité de cette manière pour assurer l’efficacité économique. Beaucoup de sujets couverts ont déjà été mentionnés dans les précédents bulletins de la CIGB et, lorsque ce sera le cas, ces bulletins seront cités en référence pour une relecture complémentaire. D’autres sources seront aussi citées dans les références en tant que nécessaire. 2.2 Identification du besoin L’identification du besoin sera faite par un organisme gouvernemental ou un privé qui désire fournir un service impliquant un stockage et une régulation des eaux, une surélévation du niveau d’eau ou, d’une certaine manière, le contrôle de la rivière. La nécessité de stocker et de régulariser les fournitures d’eau est particulièrement vitale pour les pays affectés par des pluies intermittentes et/ou irrégulières. Les utilisations principales des réservoirs peuvent être résumées comme étant pour :

- L’irrigation (la majorité des utilisations de réservoirs dans le monde). - La fourniture d’eau potable. - La production hydroélectrique. - Le contrôle des crues. - La navigation. - L’environnement et/ou les loisirs. - La recharge de la nappe phréatique.

2.3 Conception et options du projet Ce n’est que lorsqu’un besoin particulier a été identifié que les solutions associées peuvent être considérées. La nature de ces solutions aura des effets directs et indirects sur les coûts. Une forme de technique valable pour évaluer et comparer les options du projet est le procédé appelé «Etude technique de valeur» (ETV). Ceci est décrit de façon plus détaillée dans le chapitre sur la Philosophie du projet mais, en général, il comprend une revue des variantes sous forme de séances de réflexion commune dégagée de toute idée préconçue et une analyse des variantes basée sur le besoin défini par ce projet particulier. D’autres techniques telles que les diagrammes de la «Technique du calcul fonctionnel» (TCF), peuvent être utilisées pour identifier et chiffrer les coûts des différents éléments du projet et leur fonction, afin de donner la priorité à leur importance et coûts, en tant qu’aide au procédé ETV. Une sorte de coût direct sera attribuée au type de solution considéré et qui aura résulté du procédé ETV décrit ci-dessus. Si un certain type de barrage est sélectionné alors les possibilités d’économie dépendront de ce type et des variantes techniquement valables. Ceci est traité ailleurs dans ce bulletin. Les décisions à ce stade du projet peuvent aussi conduire à d’autres coûts indirects dont celui, à l’étape suivante du projet, nécessaire pour obtenir son approbation.

La coupure de la rivière aura un impact significatif sur l’environnement immédiat, l’écologie et toutes les personnes immédiatement affectées. Avec l’accroissement sensible de la pression des écologistes durant la dernière partie du 20ème siècle, les bailleurs de fonds et les organismes gouvernementaux des pays démocratiques imposent des procédés rigoureux de consultation du public et d’étude d’impact. Ces procédés peuvent être trouvés d’habitude sur les sites internet des organisations concernées. Les enquêtes publiques sur les problèmes de personnes et d’environnement peuvent conduire à des retards considérables dans l’implantation du projet, avec des augmentations importantes de coût et ont conduit parfois à l’abandon du projet. Les «approbation et autorisation» seront abordées dans le prochain chapitre, mais de façon claire, il est important que ce type de problème pouvant se poser soit traité à ce stade précoce du projet. Pour ce faire, il est vital que l’équipe développant la conception du projet comprenne non seulement le client et les projeteurs, mais aussi des spécialistes en environnement, sociologie et droit. A ce stade il peut y avoir une réticence naturelle des clients à fournir beaucoup d’information sur les potentialités du projet pour éviter d’attirer la publicité adverse. En pratique, il est en général plus utile, et plus efficace à plus long terme, de démarrer la consultation avec les personnes qui pourront être affectées, même si ce n’est que de façon informelle, pour connaître leurs besoins et leurs problèmes pour que la conception du projet les intègre dès le début. Gagnant localement la confiance à ce stade peut être aussi un moyen d’éviter les rumeurs et d’amoindrir les actions des activistes extérieurs politiquement motivés. Ceci a été amplement démontré par P.T.Mulvihill en rapport avec le développement d’aménagements hydroélectriques en Nouvelle-Zélande (Review Worldwide, vol 11, No 5, Nov 2003, pages 18 – 23). Il est aussi possible de faciliter l’implantation du barrage et du réservoir s’ils peuvent fournir un certain nombre de fonctions et de bénéfices listés dans le paragraphe 2.2. Les développeurs privés ont l’inconvénient de baser probablement leur profit sur une seule fonction telle que la fourniture d’électricité ou d’eau. Les gouvernements sont souvent capables de présenter des perspectives plus larges telles que la fourniture d’eau pour l’irrigation, mais aussi la fourniture d’électricité par les eaux relâchées, le développement régional, la création d’emplois, la navigation et les loisirs. De tels buts multiples n’améliorent pas seulement la viabilité du projet mais augmentent aussi le nombre d’individus et d’organismes pouvant en retirer des bénéfices et qui soulèveront donc moins d’obstacles au projet. 2.4 Approbation et autorisation Comme déjà indiqué, ceci est fortement lié au chapitre précédent dans la mesure où toutes les spécifications pour la procédure d’approbation et d’autorisation devraient, dans l’idéal, être satisfaites dès la phase de conception du projet pour éviter tout retard inutile dû à des objections. Dans la plupart des pays, il existe à présent une législation qui réglemente le processus d’approbation et d’autorisation des projets avec les mesures pour respecter les aspects environnementaux, socio-économiques et légaux, à mettre en place pour permettre au projet de progresser. Lorsqu’un projet est financé par un organisme multilatéral, chacune des agences qui en font partie possède ses propres procédures internes et celles ci sont largement compatibles avec celles des autres.

Au stade de la conception, une étude environnementale globale considèrera tous les aspects du projet. Elle inclura tous les aspects qui peuvent paraître négatifs tels que la disparition d’habitat particulier ou de la faune ou de la flore aussi bien que les aspects positifs découlant du projet tels que la réduction de la pauvreté, la réduction d’émission de carbone grâce à la production d’énergie renouvelable. Tous ces aspects seront présentés sous la forme typique d’un diagramme matriciel coloré avec des teintes graduellement variées, du vert pour les aspects positifs au rouge pour les aspects négatifs pour que l’impact global du projet puisse être appréhendé de manière holistique. Le but serait, en utilisant ce diagramme, d’essayer d’éliminer, ou au moins d’atténuer, tous les aspects négatifs et par conséquent d’augmenter le bénéfice du projet. Naturellement, il faut reconnaître que si ce processus révèle un impact environnemental particulièrement sévère, tel que la destruction d’un trésor archéologique ou l’élimination d’un habitat unique, cela peut empêcher la poursuite du projet. En supposant que le processus d’approbation et d’autorisation ait eu lieu, il est probable qu’un certain nombre de mesures de sauvegarde soient demandées au développeur durant la construction et par la suite. Ceci peut inclure des compensations ou des restrictions sur l’exécution des travaux qui pourront avoir une influence sur les coûts. Concernant l’exécution des travaux, il sera particulièrement utile de rechercher l’avis de l’entrepreneur si des restrictions sur le chantier doivent être négociées afin de les appliquer de la manière la plus efficace pour les coûts. De telles mesures consisteront probablement à donner du travail aux habitants sur place, à minimiser les bruits, la poussière et les autres nuisances sociales et peut-être à fournir des solutions alternatives pour le transport de la population locale à un moment où les routes et autres accès sont en train d’être déviés. Ceci aura des impacts directs sur le travail du chantier qui seront les mieux évalués par un entrepreneur expérimenté. 2.5 Le Projet Le projet des différents types de barrage et de réservoir est traité dans une autre partie de ce bulletin, mais le projet peut aussi être considéré en termes de philosophie générale et de technique. Ceux ci sont aussi importants si l’efficacité économique doit être obtenue. Le projet peut être conduit suivant les règles et les critères utilisés en tant qu’hypothèses de base mais aussi par l’approche utilisée dans le processus de projet. Ceci est discuté ci-dessous.

(a) Critères de projet Des pratiques codifiées standardisées peuvent être utilisées pour le projet d’éléments particuliers de l’aménagement, tels que la structure en béton armé de la prise d’eau. Cependant, de telles règles sont mieux utilisées pour guider un jugement basé sur l’expérience dans le cas d’ouvrages prototypes, tels que les barrages pour lesquels la géologie, la topographie et les spécifications de performances sur chaque site sont différentes. Ceci a été discuté dans les nombreux bulletins antérieurs de la CIGB tels que 61 (Critères de projet des barrages. La philosophie du choix) et 73 (Economies dans la construction des barrages). Dans le Bulletin 61, un commentaire est fait : «Les codes devraient être utilisés par la profession de l’ingénierie comme guides pour le projet de barrage plutôt que comme règles rigides qui devraient être suivies sans discussion et sans considérer les variations qui seraient justifiées dans certains cas». Ceci est amplifié dans le Bulletin 73 par cette affirmation : «Il est faux de croire, et malheureusement certains le croient encore, que pour assurer la sécurité d’un barrage, il suffit de suivre les règlements, les standards et autres codes qui ont été publiés dans de grands pays industrialisés et qui sont imposés partout».

(b) Correction des erreurs de conception Des hypothèses sont parfois faites durant le processus du projet et sont basées sur une conception erronée. Bien que les projets qui en résultent ne soient pas toujours préjudiciables, ils peuvent néanmoins être inutilement coûteux. Des exemples sont donnés de certaines de ces erreurs de conception les plus courantes, avec les commentaires appropriés :

- Il est toujours nécessaire de minimiser les quantités de matériaux – De plus grands volumes de matériaux peuvent se révéler moins coûteux que de petits volumes là où le plus grand volume permet d’être moins exigeant sur les spécifications telles que des détails de construction moins onéreux ou l’utilisation de matériaux demandant moins de traitement.

- Les barrages en remblai sont toujours l’option la moins chère – Les barrages en béton peuvent se révéler moins chers quand il s’agit de barrages devant laisser passer des crues significatives. Le corps du barrage peut être utilisé comme évacuateur de crues avec la possibilité d’adopter une crue de projet plus faible, étant donné la capacité du barrage à résister à un débordement. Dans d’autres cas, la combinaison de barrages en béton et en remblai, soit côte à côte, soit mixte, peut être la solution la plus économique.

- Les évacuateurs de crue vannés produisent toujours les barrages les moins chers – Les évacuateurs non vannés sont les constructions les plus économiques quand l’augmentation de hauteur du barrage, nécessaire pour répondre à l’élévation du plan d’eau due à la crue, est compensée par un coût plus bas de la construction et de la maintenance et une plus grande fiabilité. En fait, des combinaisons d’évacuateurs vannés et non vannés peuvent produire le meilleur équilibre entre la sécurité et le coût.

- Les fondations doivent être aussi étanches que possible – Il est possible de réduire les spécifications sur l’étanchéité des fondations lorsqu’il existe de toute façon des contraintes de restitution d’eau à l’aval.

- Les bétons à haute résistance sont toujours les meilleurs – Des bétons avec un dosage réduit en ciment et une plus faible résistance peuvent être tout à fait acceptables dans beaucoup de cas, pourvu que les problèmes de durabilité soient traités.

- Il est toujours nécessaire d’établir le projet pour la pire crue – La crue maximale ou de survie, doit être déterminée sur la base des risques et dangers à l’aval et les ouvrages de crue peuvent être optimisés sur une «crue de projet» plus faible.

- Les ouvrages de dérivation provisoire devraient être basés sur le passage des crues de fréquence de 1/20 à 1/100 – En fait cette fréquence peut être variable durant la construction et être basée à tout moment sur la valeur économique pondérée des ouvrages soumis au risque et sur l’étape de construction atteinte. Dans certains cas, des constructions saisonnières avec des débordements intermittents sur les ouvrages partiellement construits peuvent être économiques, spécialement dans le cas des barrages en béton.

(c) Processus du projet – « L’étude technique de valeur »

Il peut y avoir une tendance à copier de précédents projets ou dispositions. Du point de vue du projeteur et du maître d’ouvrage ceci apporte le confort d’un comportement acceptable déjà connu. Cependant, étant donné la variété des dispositions, il est hautement improbable qu’elles correspondent à présent à la solution la plus économique dans chaque cas. Dans certains cas, les projets ont été développés pour remplir un ensemble de besoins, lesquels ne s’appliquent pas ailleurs. De façon similaire, il peut exister une nouvelle contrainte dans un

cas particulier qui n’a pas été pris en compte dans les projets précédents. Une telle procédure de standardisation a sûrement sa place mais a besoin d’être utilisée en association avec le processus du projet qui assure qu’il n’existe pas une autre variante significativement plus économique et aussi que toutes les autres contraintes ont été prises en compte. La technique ETV est utile pour résoudre un tel problème et a été discutée plus en détail dans le Bulletin 110 de la CIGB (Influence des règles, critères et spécifications sur les coûts.) Grosso modo, l’ETV comprend quatre phases distinctes:

- Orientation et information. - Spéculation ou remue-méninges (brain-storming). - Analyse critique. - Examen critique et rapports.

A la phase orientation et information les contraintes essentielles du projet sont définies et toutes les données de base nécessaires au projet sont expliquées à tous ceux qui participent à la phase de remue-méninges. A la phase de spéculation ou remue-méninges, les idées venant des participants, libres de contraintes, libres de critiques, et sans la nécessité d’évaluer d’aucune manière l’utilité de l’idée, sont encouragées. L’intention est de favoriser une atmosphère créatrice dans laquelle même les idées purement spéculatives peuvent être avancées car elles pourraient en stimuler d’autres. Dans la phase de revue de projet, les idées sont restreintes à celles qui répondent aux spécifications initiales et il est probable que la majorité des idées va être éliminée comme faisant partie seulement du processus de création. Certaines autres peuvent être conservées pour un usage ultérieur ou en cas de changement de spécifications. A cette phase aussi, les quelques idées, peu nombreuses, qui restent et qui remplissent les conditions initiales du projet sont évaluées du point de vue du coût. A la phase de l’analyse critique, les idées acceptées et leur coût sont revus et pourvu que tous les autres aspects soient égaux, il est probable que la variante la plus économique sera sélectionnée et recommandée. Il doit être noté ici que l’implication du client peut être aussi utile à ce stade car des variantes avec des coûts de construction similaires peuvent avoir dans le futur des coûts d’exploitation et de maintenance très différents et le client peut accorder un poids supérieur à ces derniers plutôt qu’aux premiers.

(d) Processus du projet – diagrammes TCF La technique TCF faisant appel à des diagrammes, peut être utilisée en tant qu’aide au procédé ETV et aussi pour comparer les coûts et les fonctions du projet. La technique TCF fait appel à un diagramme arborescent hiérarchisé qui contient le but ou la fonction de chaque élément du projet. Cette arborescence hiérarchisée dispose les fonctions en termes de contraintes primaire, secondaire, tertiaire, etc. La fonction de chaque élément est décrite sous forme de verbe et de nom. Quelques exemples simples sont indiqués ci-dessous :

- Barrage – remplir la retenue. - Evacuateur de crues – passer les crues. - Revanche - fournir la sécurité. - Route - fournir l’accès.

Dans certains cas, les éléments du projet se combineront entre eux pour former un groupe fonctionnel. Les coûts peuvent alors être placés en face de chaque élément ou fonction et évalués en termes de position dans la hiérarchie. Alors que tous les éléments du projet peuvent être nécessaires, les coûts sont d’habitude largement liés à la hiérarchie. Une telle

approche par diagramme peut indiquer où des coûts inutilement élevés sont consacrés à des problèmes qui sont peut être du troisième ou même du quatrième ordre par rapport aux fonctions principales.

(e) Processus du projet – Analyse de risque Le concept de risque est à présent une part intégrale de la plupart des études de projet et certainement en terme d’évaluation de la sécurité des barrages. En fait beaucoup ont fait valoir qu’il est plus approprié de projeter les barrages en termes de niveau de risque global plutôt qu’en termes de facteurs de sécurité arbitraires affectés à des éléments individuels. Le plus fort développement des techniques pour évaluer la sécurité des barrages s’est produit probablement dans les années 1980 et 1990 avec de nombreuses agences dans différentes parties du monde proposant différentes approches. La méthodologie dominante est basée sur «l’arbre des défauts» ou «l’arbre d’évènements» dans laquelle on suppose la probabilité d’un évènement initial affectant un élément particulier du barrage et provoquant une réponse particulière. Par exemple si la crue maximale probable est combinée avec le défaut d’ouverture d’une ou plusieurs vannes de l’évacuateur de crue, cela peut conduire à une certaine probabilité de débordement sur la crête du barrage et encore à une autre probabilité d’apparition d’une érosion suffisante conduisant à une rupture ultime. De nombreux scénarios de ce type peuvent être assemblés pour évaluer la sécurité de l’ouvrage en entier. Ceci permet de mettre en évidence les zones de faiblesse et le risque global sur la sécurité. La méthode est discutée plus en détail dans le Bulletin 110 de la CIGB. Toutefois, de telles techniques sont apparues à l’origine dans des industries manufacturières où existent de nombreuses données sur les ruptures de composants individuels. Les arbres d’évènements peuvent s’appuyer de façon fiable sur de telles données et l’ensemble des probabilités de rupture appréhendé. Quoique des données sur les ruptures existent dans le cas des barrages, celles-ci sont moins standardisées. Les barrages sont spécifiques au site avec beaucoup de projeteurs et de matériaux impliqués. Chaque barrage est essentiellement un ouvrage unique. On a par conséquent trouvé que, bien que des probabilités théoriques puissent être fixées dans le cas des barrages, on ne peut avoir qu’une faible confiance dans les valeurs absolues obtenues. A présent (2007), il y a une tendance à s’éloigner de telles valeurs absolues et à utiliser à la place des ordres de grandeur. Un risque particulier de rupture peut être décrit comme élevé ou faible ou peut-être avec des valeurs numériques attribuées simplement pour faciliter les comparaisons. La technique est encore utile comme valeur relative permettant la comparaison de différents projets et pour la comparaison approximative des niveaux de sécurité entre les différents aspects du même barrage, par exemple le risque d’érosion interne peut être comparé à un autre aspect tel que le risque de rupture par submersion. De telles techniques permettent de détecter les points faibles et de les traiter, et aussi d’être moins exigeant dans les parties du projet qui sont peut être surdimensionnées, afin d’obtenir des économies. En tout dernier lieu, on peut voir que de telles techniques permettent d’avoir des projets équilibrés dans lesquels les niveaux de sécurité exigés sont atteints en tout point de l’ouvrage.

(f) Processus du projet – Enregistrement des projets

A la fin de tous les projets, un rapport est préparé. Il contiendra les détails des critères utilisés et les hypothèses faites durant le projet et un dossier de plans montrant les résultats. Il est toujours recommandé qu’un tel rapport soit basé sur un manuel tenu à jour pendant le déroulement du projet. En pratique les décisions sont prises de façon continue tout au long du projet, parfois basées sur les résultats du rapport de l’ETV, une revue interne, des arrangements passés ou souvent sur la base d’une exigence du client. A moins que les justifications des décisions concernant le projet n’aient été enregistrées, il n’est que trop facile de faire arbitrairement des changements subséquents qui invalident une spécification fonctionnelle initiale ou, peut être, compromettent certaines intentions initiales. Une comparaison entre les enregistrements de telles décisions et les demandes initiales de l’ETV ou de la TCF est aussi une manière utile pour s’assurer que des coûts non nécessaires n’ont pas été introduits par inadvertance dans le projet. Le coût pour maintenir un tel enregistrement à jour est plus que compensé par le travail efficace qu’il produit et par la manière avec laquelle les coûts du projet sont contrôlés. Une fois le projet terminé, il permet aussi de produire très efficacement le rapport final car l’enregistrement demandé est déjà en place. 2.6 Spécifications De façon idéale, les spécifications devraient être préparées en même temps que les hypothèses du projet. En pratique, elles sont invariablement préparées une fois que le projet est complet et sur la base de spécifications précédentes d’autres projets ou de «spécifications standardisées maîtresses». Il y a toujours le danger dans ces cas que des spécifications au-delà du nécessaire se produisent. Les «spécifications standardisées maîtresses» en particulier sont faites pour parer à toutes éventualités et par conséquent tendent à aller du côté d’un excès de précaution. Quoique ceci soit sage sur le plan du principe, il peut conduire à des résultats inutilement onéreux dans la pratique. Quelques exemples sont donnés ci-dessous :

- Les spécifications concernant les ouvrages provisoires peuvent souvent être nettement moins strictes que pour les ouvrages définitifs.

- Des expressions telles que “meilleures pratiques” sont imprécises et peuvent conduire à des travaux non nécessaires.

- La nécessité de recueillir des échantillons à intervalles réguliers durant la mise en place des barrages en remblai, interrompra la construction et n’est pas nécessaire, pourvu que des essais adéquats aient été exécutés au préalable et les méthodes de travail contrôlées selon ces essais.

- Dans un barrage en béton, il n’est pas nécessaire de produire un parfait joint chaud à chaque reprise de bétonnage horizontale, si le projet de ce barrage a de fait adopté un critère de plus faible résistance au glissement.

- Les spécifications de performance qui définissent un résultat ou une nécessité à la fin de la construction donnent plus de liberté à l’entrepreneur pour réaliser des économies que celles qui définissent la méthode de travail.

- Les clauses de l’ETV dans les spécifications peuvent permettre aux entrepreneurs de proposer des variantes plus économiques lorsque les économies réalisées sont ensuite partagées entre l’entrepreneur et le client

selon une formule prédéfinie. Il est important dans ces cas d’inciter aussi le projeteur à évaluer de telles propositions.

- Des spécifications adaptées aux matériaux valables localement produisent invariablement un coût de projet plus faible que des spécifications arbitraires nécessitant l’importation ou le traitement des matériaux.

2.7 Appel d’offres et dispositions du contrat

(a) Généralités Transformer le projet, préparé en insistant sur les réductions de coût, en un produit final économique, nécessitera un type de contrat par lequel l’entrepreneur s’engage pour la construction. Comme la phase de construction contiendra les coûts les plus élevés, il est important que la forme du contrat soit choisie de telle manière que l’objectif du coût total effectif soit maintenu. Ce chapitre traite des facteurs variés qui doivent être considérés pour des appels d’offres produisant des coûts effectifs.

(b) Présélection Une des premières décisions requises lors de la préparation des appels d’offres est de savoir s’il faut présélectionner des entreprises ou avoir un appel d’offres ouvert. Une présélection peut comprendre une invitation directe aux entreprises désirées ou elle peut simplement impliquer un processus de présélection dans lequel n’importe quelle entreprise pourra soumettre ses références pour évaluation afin d’être sélectionnée dans un processus complet d’appel d’offres. Il y a des avantages et des inconvénients dans chacune de ces approches. Les barrages sont des structures spécialisées et idéalement seules des entreprises expérimentées impliquées dans ce type de construction devraient être admises à concourir. Lorsqu’un financement multilatéral est impliqué, il peut être nécessaire d’avoir des entreprises de pays variés. Lorsqu’un financement bilatéral est impliqué, la consultation peut être limitée aux entreprises du pays ayant fourni le financement bilatéral. Généralement, le nombre d’entreprises est limité au mieux entre quatre et six. Un nombre plus faible pourrait ne pas produire une compétition suffisante dans le processus d’appel d’offres tandis que s’il y a un nombre nettement plus grand d’entreprises admises à concourir, beaucoup d’entre elles verront une faible chance de l’emporter et seront ainsi peu disposées à dépenser beaucoup d’effort pour optimiser leur offre. Un avantage de la présélection c’est qu’on s’assure que seules les entreprises avec un niveau correct de compétence seront invitées à préparer des offres complètes. Un inconvénient est que si on reçoit une offre particulièrement décevante en termes de qualité, mais qui par ailleurs est très compétitive du point de vue des prix, il sera difficile de rejeter l’entreprise vu qu’elle est déjà passée à travers le processus de la présélection. Comme pour beaucoup d’aspects de travaux de barrage, chaque ouvrage et chaque situation sont, en grande partie, uniques et les spécifications ont besoin d’être rédigées sur mesure et adaptées aux circonstances entourant un barrage particulier.

(c) Types de contrat

Il y a beaucoup de types de contrat qui peuvent être utilisés et les principaux sont résumés ci-dessous :

- Traditionnel – dans lequel le client retient séparément un projeteur, un entrepreneur et un superviseur pour la construction. Une variante commune de ceci est que le projeteur est aussi engagé comme superviseur pour la construction. C’est essentiellement une forme de contrat entre adversaires dans lequel les gains d’une partie, telle que l’entrepreneur, requiert invariablement une perte pour l’autre partie telle que le client. De tels contrats impliquent en général de nouveaux métrés et devis définitifs pour établir le coût final.

- «Clé en main» – dans lequel le client retient un entrepreneur pour prendre la responsabilité de livrer le projet complet et dans lequel l’entrepreneur est aussi responsable des études. De tels contrats sont en général à prix fixe.

- «Ingénierie, Procuration, Construction» (souvent désigné par l’acronyme en anglais EPC) – est essentiellement une variante du procédé du «clé en main», dans lequel un bureau d’études prend la responsabilité de livrer le projet et gère tous les aspects y compris toutes les études, obtentions d’autorisation et constructions nécessaires. Ceci peut être fait sur la base d’un prix fixe ou par un nouveau métré et devis définitif basé sur un bordereau de prix agréé à l’avance.

- «Construire, Posséder, Exploiter» et «Construire, Posséder, Exploiter, Transférer» (souvent désignés par les acronymes en anglais BOO et BOOT) – Ces contrats vont vers une étape de plus et demandent à l’entrepreneur non seulement de construire l’aménagement mais aussi de l’exploiter pendant une certaine période après la construction. Cela incite l’entrepreneur à maintenir la qualité et la facilité d’exploitation et d’être sûr que les «problèmes de jeunesse» du début ont été réglés avant que le maître d’ouvrage n’ait pris possession de l’aménagement.

- «Partenariat» – dans lequel le client retient un projeteur pour travailler pour lui pour un contrat de construction séparé. Lorsqu’il y a une association entre le projeteur et l’entrepreneur, le résultat est généralement une sorte de contrat «clé en main» ou d’EPC.

- «Alliance» – est une forme de contrat relativement nouvelle dans la construction des barrages mais implique le client, l’entrepreneur et le projeteur qui se rassemblent pour former une équipe de projet dans laquelle les risques sont également partagés. L’équipe développera le projet et estimera le coût de livraison. Les dépassements de coûts éventuels seront comparés à l’estimation du coût initial. Les économies seront partagées entre les parties en termes de profits supplémentaires sur la base d’un accord préalable. De la même manière, les dépassements de coût seront répartis de façon analogue. C’est une forme de contrat particulièrement performant car il incite toutes les parties contractantes à travailler ensemble et de se concentrer sur un aménagement économique, mais avec une qualité assurée par l’inclusion du client éventuel et de l’utilisateur. A la 22ème Conférence de la CIGB à Barcelone en 2006, la Réponse 51 à la Question 84a donné un exemple de l’utilisation d’une telle association pour l’amélioration de la capacité de l’évacuateur de crue du barrage d’Eildon en Australie.

Pour chacune des formes de contrats, il peut y avoir de nombreuses variations subtiles, par exemple si le coût de livraison doit être basé sur le devis final révisé ou sur un devis fixe.

D’autres variantes peuvent faire appel à des prix objectifs ou, autre variante, aux prix de base plus un profit agréé à l’avance, appelé encore «coût-plus». Toutes ces variantes ont des avantages et inconvénients. Certains autres aspects associés à des conditions particulières du contrat sont discutés ci-dessous. Un des facteurs les plus significatifs affectant d’éventuels dépassements de coût peut être la base sur laquelle les offres sont évaluées. Il y a une tentation pour choisir simplement l’offre la moins chère, spécialement quand tous les soumissionnaires ont été pré-qualifiés. En pratique, il y a probablement quelques différences entre les qualités techniques des offres et aussi entre la compréhension des spécifications par les soumissionnaires. Il est fortement recommandé que ces facteurs soient aussi pris en compte sous la forme de scores techniques qui peuvent alors être utilisés pour ajuster les prix des offres. On doit aussi noter que lorsque l’attribution des offres est basée seulement sur le prix le plus bas, et que les soumissionnaires en sont conscients, il peut y avoir une tendance à offrir des prix plus bas que ceux pour lesquels le projet peut être réalisé. Dans un tel cas, le résultat est invariablement une focalisation de l’entreprise gagnante sur des réclamations pour obtenir de l’argent supplémentaire et pour s’assurer un éventuel profit. L’effort produit par toutes les parties, en contestant et en évaluant de telles réclamations, conduira à des dépassements de coûts supplémentaires aussi bien qu’à détourner l’effort pour obtenir une bonne qualité technique. Le même effort aurait été bien mieux dirigé vers l’achèvement d’un projet réussi et ce but aurait été mieux atteint si on s’était mis d’accord sur des prix corrects et réalistes au moment de l’appel d’offres.

(d) Aspects particuliers L’impact de la durée de construction sur le coût est aussi discuté au chapitre 3 du Bulletin 73 de la CIGB. Cette durée contractuelle est toujours un contentieux et elle peut être vue de différentes manières par les différentes parties contractantes. Généralement, on peut montrer par une analyse financière simple qu’il est en général plus efficace pour les clients, du point de vue du coût, de réceptionner les aménagements 10 % en avance plutôt que de recevoir une réduction directe du coût de 10 %, car les intérêts sur les emprunts sont diminués et les profits tirés du projet arriveront plus tôt. Cependant, le but et la nature de l’aménagement et de la retenue sont aussi des facteurs à prendre en compte. Si les crues sont saisonnières, alors en perdant un mois particulier pour le remplissage du réservoir, on pourrait retarder la rentabilité de l’aménagement pour une année supplémentaire. La même chose pourrait s’appliquer aux réservoirs pour l’irrigation si on manque une saison particulière de mise en culture. Dans les deux cas, toute accélération dans la construction doit être d’une année complète pour donner des bénéfices appréciables. A l’inverse les retenues hydroélectriques peuvent généralement être utilisées pour produire des bénéfices dès qu’elles sont remplies et ainsi tout achèvement en avance pourra être bénéfique. En sens inverse, les entrepreneurs comme les projeteurs peuvent arguer que tout délai supplémentaire leur permettra de développer des projets ou des techniques plus efficaces du point de vue du coût. Même de grandes compagnies ne peuvent pas toujours disposer d’équipes de direction prêtes immédiatement dès que le contrat a été emporté. En donnant plus de temps pour l’analyse et le planning du projet au début, tous pourront en tirer des bénéfices, si c’est conduit de manière appropriée. De façon claire, il y a un équilibre à trouver

entre ces positions et celle du client et chaque cas aurait besoin d’être examiné avec ses propres mérites. Le partage des risques est un autre contentieux, comme les années récentes ont montré une prépondérance croissante des clients pour reporter sur l’entrepreneur tous les risques de délai et de coût. Bien qu’en théorie cette pratique puisse donner au client le sentiment d’avoir un résultat prévisible, elle est souvent associée à un coût supplémentaire significatif. Lorsqu’on a demandé aux entreprises de construction de barrages de fournir en variante soit des prix basés sur la méthode conventionnelle soit des prix en acceptant tous les risques, elles ont ajouté typiquement entre 15 % et 25 % d’aléas pour couvrir de tels risques. De telles spécifications contractuelles sont souvent dictées par des individus ayant peu de connaissance ou de compréhension des problèmes d’ingénierie impliqués. En général, le type d’offre le plus efficace du point de vue des coûts est probablement celui où les risques sont partagés entre chacune des parties qui ont la capacité de les contrôler. Par exemple lorsque le risque dépend directement de la technique de construction de l’entreprise il est approprié que ce risque soit placé sur l’entrepreneur. Lorsque ce risque est dû à des conditions imprévues du sol ou d’autres aspects en dehors du contrôle de l’entrepreneur, il devrait mieux être porté par le client, sur la base du jugement honnête et équitable d’un ingénieur indépendant. Dans les cas extrêmes, le fait de forcer une entreprise à accepter un prix fixe peut la conduire à une éventuelle banqueroute ou à se mettre en liquidation. L’expérience a montré, dans de tels cas, que les supposées mesures de sécurité, telles que les garanties, apparaissent illusoires et le client peut se trouver face à une réelle et significative augmentation des coûts en s’adressant à une autre entreprise pour reprendre et achever le chantier. Les clauses de la méthode ETV peuvent se révéler une incitation puissante pour des économies à mesure que les travaux progressent. De telles clauses permettent à l’entrepreneur de présenter des variantes de projet ou des méthodes de construction avec des coûts réduits. De telles propositions seront évaluées par le projeteur et, s’il accepte, l’économie est partagée dans des proportions convenues entre l’entrepreneur et le client. Les proportions peuvent être de 50/50 mais, dans certains contrats, elles sont pondérées en faveur du client. Lorsque de tels arrangements pour la construction selon l’ETV sont en place, on demandera à l’ingénieur de projet indépendant de faire les évaluations nécessaires. Ceci doit être fait honnêtement et équitablement sur la base du remboursement du temps passé. Clairement, pour que l’approche globale soit effective, il est nécessaire qu’il existe des incitations pour toutes les parties contractantes, y compris pour cet ingénieur qui peut aussi en tirer un bénéfice direct. Un exemple de l’approche de l’ETV pour optimiser les coûts de construction des barrages est cité par Dunstan, (Hydropower & Dams, Vol 9, Issue 3, 2002, pages 71 – 75). Dans cet exemple, le fait de conserver des méthodes de construction simples a conduit à augmenter le taux de production du BCR dans le barrage d’Olivenhain de 97 m de haut aux USA. La majorité des contrats de barrage mettront en évidence des variations de prix, souvent relatives aux conditions de sols. Des aléas sont généralement prévus pour cela. Les entrepreneurs peuvent recevoir cet argent supplémentaire à travers des avenants, réclamations, procédures de révision de dispute, médiation et arbitrage. Ces procédés peuvent prendre du temps, ce qui à son tour peut impliquer des coûts supplémentaires, tandis que le dernier en

particulier peut avoir de très substantiels coûts directs associés. Les procédures de révision de dispute et de médiation sont des innovations récentes, introduites dans le but de produire des formes d’audition indépendantes et avec l’espoir d’éviter aux parties contractantes de s’engager dans des litiges. 2.8 Construction La phase de construction est celle qui impliquera la plus grosse dépense d’un projet de barrage et par conséquent, on peut dire, celle qui a le plus gros potentiel d’économie. Beaucoup de celles-ci peuvent être réalisées en utilisant une construction basée sur l’approche de l’ETV comme déjà décrite dans le chapitre précédent. Cependant, pour que la construction se fasse de façon efficace, deux des plus fondamentales nécessités pour l’organisation du site sont une communication effective entre toutes les parties et une prise de décision efficace. Ceci est le mieux illustré en considérant la figure 2.1. Dans la figure 2.1, dans les cases indiquées «entreprises et sous-traitants» il pourrait y avoir un certain nombre d’entreprises et de sous-traitants. De façon similaire, elles pourraient représenter un ou plusieurs projeteurs et superviseurs. Les approbations viennent directement du client, avec l’avis du projeteur ou du superviseur comme indiqué ou ce pouvoir peut être délégué au superviseur. Pendant que le travail progresse un certain nombre d’aspects seront suivis et testés avec des rapports préparés et soumis soit pour approbation soit pour rejet. De façon analogue, l’entrepreneur peut faire des suggestions pour des changements qui ont besoin d’être justifiés et commentés. Par conséquent, dans la figure 2.1, un des aspects majeurs n’est pas l’arrangement contractuel particulier adopté, mais c’est que toutes les fonctions illustrées aient leur place quel que soit le type de contrat. Dans certains cas, les fonctions peuvent être des entités séparées, dans d’autres cas elles peuvent être exécutées par différentes entités de la même compagnie. La chose importante est le besoin d’une bonne communication entre toutes les parties et des procédures claires pour s’assurer que les protocoles de communication sont compris et suivis. De tels protocoles sont typiquement consignés avec grand soin dans les procédures d’assurance qualité. Il est également important que cette information, lorsqu’elle sera communiquée, soit suivie d’effet pour éviter des retards. Certes, il y a aussi besoin de prise de décision effective par des personnes compétentes. La figure 2.1 illustre aussi le nombre de corps et d’individus impliqués dans le processus du projet. Il est par conséquent également clair que pour que l’organisation complète tende vers une production économique, chaque élément individuel de l’organisation soit incité à travailler dans ce but. Etant donné la nature complexe et intégrée de l’organisation pour la construction, même une ou deux fonctions peuvent causer de plus grand retard si elles n’ont pas été suffisamment incitées à faire autrement. Enfin une mention doit être faite sur la sécurité du site. La sécurité sur le chantier est maintenant une priorité dans tous les pays développés ou en développement. Beaucoup ont leurs propres règlements pour assurer la sécurité de la construction et des travailleurs et on doit s’y référer dans tous les documents du contrat et pour tous les travaux. Aux Etats-Unis et en Grande-Bretagne, la sécurité sur les sites de construction est régie par de nombreux règlements statutaires sur la santé et la sécurité. Au Royaume-Uni, ces règlements ont une longue histoire et sont régulièrement remis à jour, un des plus récents est “The Management

of Health & Safety at Work Regulations, 1999”, (MHSWR). Celui-ci se réfère et englobe de nombreux règlements précédents sur ce sujet. Dans les années récentes au Royaume-Uni, le document “Construction, Design and Management Regulations, 1994”, (CDM Regulations) a étendu la sécurité des travailleurs et opérateurs au-delà de la seule phase de construction, avec la sécurité durant l’exploitation subséquente et même durant la démolition. Par ailleurs, il a confié au projeteur la responsabilité de résoudre ces problèmes à toutes les phases du projet et d’y incorporer les mesures de sécurité adéquates. Ces règlements ont été remis à jour en 2007. Le Tableau 2.1 résume les pourcentages d’accident sur les sites de construction du Royaume-Uni de 2000 à 2001. C’est aussi typique des années passées et des accidents sur les autres sites de construction dans le monde. Tableau 2.1 Statistique typique des accidents sur les sites de construction

Type d’accidents Blessures majeures

Décès

Chutes de haut 37 % 44 % Faux pas ou chute au même niveau 21 % - Heurté par un engin mobile 2 % 17 % Heurté par un objet mobile ou en chute 18 % 8 % Blessé pendant le transport ou la manutention des objets 8 % - Piégé par quelque chose qui s’effondre ou se renverse 17 % Autres 14 % 14 %

On peut voir que toutes les formes de chute ou de faux pas comptent pour plus de la moitié des blessures majeures, tandis que le fait de tomber de haut compte à lui seul pour presque la moitié de tous les décès. Etre heurté par un objet en déplacement ou en chute est une autre cause significative de blessures majeures, tandis que le fait d’être piégé par un objet qui s’écroule ou qui se renverse est une cause significative de décès. Le reste des 14 % de toutes les blessures majeures et décès peut être dû à des causes variées telles que l’électrocution, les gaz naturels, les fumées toxiques, le feu, etc. Outre les conséquences directes des accidents sur les hommes, il y a aussi probablement un coût associé à un site non sûr. Les ouvriers doivent se déplacer avec plus de précaution et sont moins productifs quand les accès et éclairages sont inadéquats ou lorsqu’il y a une impression générale de désordre et de risques potentiels. De plus les accidents entraîneront des coûts supplémentaires à travers les pertes d’heures de travail et une main d’œuvre démotivée. Des accidents sérieux peuvent aussi provoquer des arrêts de travail sur le site pendant le déroulement des enquêtes. Ceci aura une influence directe sur le coût de la construction aussi bien que les éventuelles pénalités et amendes pour les responsables. On peut dire généralement qu’un site bien géré et sûr est aussi un site plus productif et économiquement efficace. Certains moyens d’inciter à la sécurité dans les contrats de construction pourraient produire des bénéfices sur toute la ligne.

Figure 2.1 Un organigramme typique pour la construction d’un aménagement

3 OPPORTUNITES TECHNIQUES POUR DES ECONOMIES 3.1 Barrages de grande hauteur 3.1.1. Contrôle de la rivière pendant la construction Ce problème a été analysé dans le Bulletin 48a (1986) de la CIGB et révisé par le Rapport général de la Question 84 du 22ème Congrès (2006). Pour la plupart des barrages de faible hauteur, la partie dans la rivière peut être construite pendant une saison sèche avec de faibles coûts de dérivation. Par ailleurs, le cas des petits barrages sur de très grandes rivières sera analysé dans un bulletin complémentaire. Les commentaires ci-dessous se réfèrent principalement aux barrages de hauteur supérieure à 50 m. Environ 500 sont actuellement en construction ou en projet, dont 50 % en enrochement et 40 % en béton ou en BCR. Beaucoup, probablement des milliers, seront certainement construits dans les 30 ans à venir. Le contrôle de la rivière durant la construction a souvent un impact sérieux sur le coût global, le programme de construction et parfois sur l’implantation générale. De plus les problèmes relatifs à la sécurité peuvent être importants parce que le risque de rupture ou de dommage, pendant la construction, ne peut être totalement écarté pour les barrages en remblai.

Pour les 2 000 barrages existants en terre ou en enrochement de hauteur supérieure à 50 m, 12 ruptures en construction à cause des crues ont été rapportées, ce qui est supérieur au nombre de ruptures de tous les barrages de ce type en exploitation. Deux d’entre elles ont causé beaucoup de morts. De récentes ruptures se sont produites en Iran (Karun) et ont concerné aussi les batardeaux provisoires de Rogun, le plus haut barrage en construction, qui ont été emportés. Mais aucune rupture de barrages en béton n’a été rapportée bien que beaucoup aient été submergés. Le choix de la meilleure solution varie avec la rivière et le projet de barrage. La plupart des futurs barrages seront construits dans des zones, telles que l’Asie et certaines parties d’Amérique Latine, où les pluies et les crues sont fortes pendant peu de mois mais sont très réduites la plupart du temps dans l’année. Des économies peuvent être obtenues de trois façons :

- Révision des principes de base et des critères de projet traditionnels. - Stratégies alternatives. - Economie dans les ouvrages de dérivation.

Revue des principes de base et des critères de projet

Les critères de projet traditionnels étaient basés sur les conditions prédominant sur la plupart des barrages de grande hauteur construits il y a 50 ans (donc en Europe et Amérique du Nord) et/ou sur des règlements standardisés et des documents guides. Un grand nombre de ces critères méritent d’être reconsidérés. Par exemple des habitudes, telles que de se fixer arbitrairement des périodes de retour de 20 à 100 ans pour la crue de chantier, peuvent produire des résultats qui sont loin de l’optimal en terme d’équilibre entre le coût, le risque et la sécurité. Des périodes de retour appropriées peuvent aller de 1 à 1 000 ans selon le site du barrage, le projet, les phases de construction et les conséquences d’une inondation temporaire. Un risque de submersion pour le barrage pendant la construction peut être acceptable, même pour des barrages en remblai, si le programme des travaux est adapté de façon appropriée. Le choix et le projet de contrôle de la rivière durant la construction ont parfois été confiés au consultant ou laissés entièrement à l’initiative de l’entrepreneur. Une coopération étroite entre le maître d’ouvrage, le maître d’œuvre et l’entrepreneur est conseillée. Par exemple le projet de base peut laisser une certaine flexibilité à l’entrepreneur pour le projet final des galeries de dérivation et des batardeaux provisoires. Des variantes proposées par l’entrepreneur pour la stratégie globale de dérivation de la rivière devraient être examinées objectivement. Un grand nombre d’accidents ou de ruptures durant la construction (peut être la moitié) n’ont pas été causés par des crues exceptionnelles mais plutôt par des retards au programme de construction. De tels retards peuvent avoir plusieurs causes telles que : conditions physiques, évènements politiques ou sociaux, organisation de l’entreprise et/ou manque de ressources financières. Des retards dus aux travaux de creusement de galerie sont aussi communs. Ces points sont souvent négligés et devraient être considérés quand les dispositions de dérivation sont analysées de façon critique. Les conséquences des retards potentiels peuvent être plus facilement réduites selon les solutions choisies. Stratégies alternatives

Les conditions climatiques de la plupart des sites des futurs barrages et l’actuel potentiel pour des constructions rapides à ciel ouvert favorisent les solutions reposant sur deux principes : inondation contrôlée du site de construction et programmes de construction optimisés.

Le contrôle traditionnel de la rivière est souvent basé sur la dérivation d’une crue avec une probabilité annuelle prise de façon typique entre 1/20 et 1/100 pour une construction de barrage, entre les deux batardeaux provisoires, entre 18 et 30 mois y compris une ou deux saisons de crues. Il y a donc une probabilité significative (quelques pour cents) de rupture du batardeau pendant une ou deux saisons de crue, avec les dommages associés pour le barrage en construction et les retards conséquents. Mais un autre inconvénient de cette solution est souvent le coût des galeries de dérivation et/ou d’un batardeau amont plutôt haut. Pour des bassins versants en dessous de 500 km², le débit à dériver pour de tels barrages de grande hauteur sera souvent compris entre 200 et 1 000 m3/s, nécessitant une ou deux galeries de dérivation avec une section combinée de 20 à 100 m². Pour de très grands bassins versants, le débit dérivé peut atteindre 5 à 10 000 m3/s et parfois jusqu’à 50 000 m3/s. On a opté d’habitude pour des pertuis pour les débits supérieurs à 10 000 m3/s, mais des galeries ont été utilisées pour 10 000 m3/s et même jusqu’à 20 000 m3/s, avec 6 galeries et une section totale de près de 1 000 m². Avec des longueurs de 500 m ou plus, de telles galeries sont très coûteuses avec des retards fréquents si le rocher est médiocre. Les batardeaux amont peuvent être plus hauts que 50 m et ont même atteint 80 m. Ce sont des barrages de grande hauteur construits dans un court délai et souvent avec des traitements limités en fondation et réalisés peut-être sous l’eau. Dans ces cas, le risque d’érosion interne sera plus grand que pour un barrage définitif de même hauteur. Sur les sites de barrage où il y a une longue saison sèche, il peut être économiquement intéressant de dimensionner les galeries de dérivation seulement pour les débits de la saison sèche et d’accepter que les ouvrages définitifs soient submergés lors de la prochaine saison humide. Dans le cas des barrages en remblai, les dommages potentiels peuvent être minimisés en conservant le niveau de construction à ce moment à 5 à 10 m au-dessus du niveau d’eau aval. La plupart des barrages de hauteur inférieure à 100 m peuvent alors être terminés durant la saison sèche suivante. Dans le cas des barrages plus hauts, il est possible d’ajouter des galeries supplémentaires au-dessus du niveau du batardeau. Celles-ci sont plus courtes, sans ouvrages de contrôle, si possible sans revêtement, mais construites avec le même matériel de creusement que pour les galeries basses de dérivation. Elles pourront être transformées en ouvrages définitifs, par exemple comme ouvrages de vidange, et leur coût net sera donc probablement beaucoup plus faible que celui des galeries basses. Pour des barrages-poids en béton ou en BCR, la submersion sera acceptable, même si le barrage est bien au-dessus du niveau de la rivière lorsqu’il est submergé. Dans le cas des barrages-voûtes il est généralement possible d’incorporer des ouvertures basses provisoires (joints élargis) pour évacuer des débits supplémentaires. Cette variante de contrôle des crues est d’habitude de peu d’intérêt pour des bassins versants dans la gamme de 100 km² où les économies sur la galerie sont faibles mais devraient être étudiées pour les bassins versants au-dessus de 500 ou 1 000 km². Outre l’économie, cette solution réduit significativement les dommages et retards d’une crue de probabilité plus faible que la crue centennale. Cependant, cette solution présente trois inconvénients à évaluer quand on la compare aux solutions traditionnelles. Il peut y avoir quelques dommages limités dus à la submersion

acceptée et quelques opérations de nettoyage nécessaires sur les barrages en remblai. La construction du barrage sera arrêtée durant la première saison des crues pendant quelques semaines pour les barrages en béton et quelques mois pour les barrages en remblai. La perte effective sera réduite durant ces mois pluvieux durant lesquels la mise en place du remblai serait de toute façon limitée. On doit noter aussi que la section réduite pour les galeries basses peut rendre plus difficile la coupure de la rivière, et les moyens pour diminuer cet inconvénient sont discutés ci-dessous. Le programme complet des galeries de dérivation, des batardeaux, des fouilles du barrage et des fondations dans le lit de la rivière et sur les rives doit être optimisé selon les conditions du site et les changements de saisons. Une grande flexibilité devrait être laissée à l’entrepreneur, avec de possibles ajustements aux écoulements réels. Ceci peut avoir une influence sur la conception des ouvrages de dérivation et parfois sur le projet du barrage lui-même, ce qui nécessiterait alors une implication du projeteur principal. Les risques acceptables peuvent varier considérablement avec les phases de travaux et les processus de partage des décisions et des risques entre le maître d’ouvrage et l’entrepreneur avec des interventions du consultant, et cela mérite des clarifications dès le début. Réduction de coûts dans les ouvrages de dérivation

- De façon traditionnelle plusieurs galeries de dérivation, généralement revêtues et au même niveau, sont couramment utilisées lorsqu’on a de gros débits. Il est apparu récemment que le fait de placer une ou deux galeries à un niveau supérieur peut faciliter le programme des travaux et éviter des vannes de fermeture. Il est possible aussi de laisser ces galeries hautes sans revêtement. La place et le niveau exacts de ces galeries peuvent être choisis avec l’entrepreneur selon les possibilités d’accès pour les premières constructions. Ces galeries hautes peuvent être à 10 m au-dessus des galeries basses. Pour les barrages de grande hauteur, qui peuvent être en danger pendant plusieurs saisons de crue, des galeries de dérivation supplémentaires peuvent être prévues au-dessus du niveau du batardeau. Elles peuvent être non revêtues, beaucoup plus courtes et sans vanne de coupure. Elles ne seraient utilisées qu’en cas de crues exceptionnelles durant la dernière partie du programme complet de construction. Des vannes de coupure sont généralement utilisées à l’entrée des galeries. Les ouvrages en béton correspondants peuvent augmenter la durée totale de la construction, perturber le creusement de la galerie et réduire les possibilités de choix pour l’implantation de la dérivation. En plaçant ces vannes à mi-parcours de la galerie, avec leur construction par puits pendant le creusement et la pose du revêtement de cette galerie, on peut économiser du temps et de l’argent. Cela donnera aussi plus de souplesse pour l’implantation et la conception des ouvrages d’entrée. - Les batardeaux dans la solution traditionnelle de submersion improbable et celle pour laquelle on admet une submersion contrôlée, ont besoin d’être projetés de façon différente. Dans la solution traditionnelle, la section de la galerie est minimisée en augmentant la vitesse de l’eau (jusqu’à un maximum acceptable) et en utilisant corrélativement un batardeau de grande hauteur. Ce dernier, dans la gamme des 50 m de haut ou même plus, sont en terre ou en enrochement avec une probabilité de rupture de l’ordre de 1 à 5 %. Si le volume du réservoir temporaire correspondant est de quelques millions de m3, le débit provenant d’une éventuelle rupture du batardeau peut parfois être supérieur à 10 000 m3/s et être atteint très

rapidement. Des systèmes d’alarme peuvent alors être justifiés comme pour les barrages définitifs. Il y a plusieurs possibilités pour réduire le coût ou augmenter la sécurité d’un tel batardeau amont en terre ou en enrochement : - L’inclure dans le barrage permanent, mais l’augmentation correspondante des spécifications

et de la qualité peut retarder la construction du batardeau. - Construire rapidement un batardeau bas et utiliser ensuite la partie amont du barrage comme

batardeau haut. - Revêtir la face aval du batardeau en enrochement par des enrochements armés. Cette

approche a été utilisée en Australie. Elle nécessite environ 50 kg d’acier au m², y compris les longs ancrages dans le corps du barrage. Le risque de rupture due par exemple à des arbres flottants, des vibrations, un défaut localisé, la liaison aux rives, etc. ne peut être totalement évité, spécialement pour les batardeaux de grande hauteur.

- Revêtir la face aval du batardeau en enrochement par une dalle mince continue en béton

armé. De tels revêtements devraient être ancrés et conçus pour éviter ou réduire les effets dus à la sous pression.

- Projeter le batardeau de façon que la partie basse ne puisse être détruite par la rupture de la

partie haute afin de raccourcir le délai total de reconstruction. - Utiliser du BCR bon marché (désigné par « remblai dur » dans certains pays et CSG au

Japon), ce qui est possible avec un profil symétrique. Le batardeau pourrait être construit sur du rocher naturel ou même des terrains de couverture, pourvu que les tassements et fuites soient acceptables. Comme les dommages dus à une submersion sont faibles, une hauteur réduite du batardeau est acceptable. Le volume de BCR peut être aussi diminué de façon significative si des blocs fusibles sont placés en crête du batardeau. Le batardeau peut être incorporé dans le barrage en remblai ou le barrage-poids en BCR.

- La probabilité de submersion du batardeau ou des galeries basses de dérivation peut être

réduite si une courte galerie est incorporée dans ce batardeau, à 10 m en dessous de sa crête, et fermée par un bouchon fusible qui serait enlevé avant que la submersion ne se produise.

- Si des retards de construction des galeries de dérivation principales risquent de reporter d’un

an l’ensemble du programme, il est souvent possible de court-circuiter le site du batardeau amont au moyen d’une courte galerie pouvant évacuer seulement les débits de la saison sèche. Il est alors possible de gagner parfois six mois supplémentaires pour achever les galeries principales et le batardeau amont afin de raccourcir le retard.

- Les critères de projet des batardeaux soumis à des déversements contrôlés ne sont pas les

mêmes que pour les batardeaux traditionnels. Comme les débits dérivés sont bien réduits, les économies sur la section de la galerie ne sont pas si importantes. Ceci favorise une diminution de la charge totale entre l’amont et l’aval de l’ordre de 15 m. La hauteur du batardeau amont est réduite et il peut être intéressant de la garder à quelques mètres seulement au-dessus du niveau du batardeau aval. Un batardeau amont en enrochement non

revêtu peut résister à un débit significatif pourvu que la chute d’eau soit limitée en cet endroit à 2 ou 3 m et la plus grande part de la chute localisée au batardeau aval.

Les batardeaux aval, souvent de 20 à 30 m de hauteur, seront projetés pour supporter une chute de l’ordre de 10 m. Il peut être utile de les faire en BCR, de préférence avec un profil symétrique et de les inclure dans le barrage définitif. Ils peuvent aussi être en enrochement avec un épais revêtement à l’aval comme à Cabora Bassa. La solution économiquement la plus efficace peut être un mur vertical ou incliné en béton armé ancré au pied aval du barrage en enrochement. Durant le déversement, la crête du barrage doit être horizontale et à peu près au même niveau que le batardeau aval ou avec une pente de 1 ou 2 %. Dans les mêmes circonstances, les barrages en terre et les noyaux doivent être calés à quelques mètres en dessous du niveau du batardeau aval. Coupure dans le lit de la rivière

Le coût direct est habituellement bas mais le choix de la solution peut avoir une influence énorme sur l’ensemble du coût et du délai. La coupure est faite généralement au début d’une saison sèche et la rivière est dérivée de son lit naturel vers les galeries (ou les pertuis) de dérivation. La coupure est faite en général en déversant les matériaux apportés par les camions le long de la digue de coupure et en avançant d’une rive vers l’autre ou à partir des deux rives vers le milieu de la rivière. La difficulté de la coupure est liée au débit de la rivière et même davantage à la charge maximale entre les niveaux amont et aval. Cette dernière a varié dans les coupures passées entre 1 et 10 m. Il peut être utile ou nécessaire dans le futur de choisir une charge particulière pour la coupure (par exemple 5 m) pour 3 raisons : - Une coupure faite pour une charge plus grande permet d’avoir un débit plus élevé pour une

même section de galerie : elle peut donc avoir lieu plus tôt à la fin de la saison des crues. Ceci peut être très utile pour le programme des travaux de la saison sèche suivante.

- Pour un même débit, les solutions qui réduisent le nombre ou la section des galeries de dérivation les plus basses augmentent la charge lors de la coupure.

- L’entrée des galeries de dérivation n’est pas toujours dégagée comme sur les plans, ce qui augmente la charge réelle lors de la coupure.

L’analyse de telles coupures de rivière a été détaillée dans le Bulletin 48a « Contrôle de la rivière pendant la construction des barrages ». Elle est basée sur l’expérience de beaucoup de grandes coupures dans le monde et comprend une analyse de coût. Les commentaires ci-dessous se limiteront aux solutions les plus fréquentes, c’est-à-dire avec la méthode du déversement des matériaux par des camions. Les débits des rivières au moment de la coupure sont généralement inférieurs à 100 m3/s pour la plupart des barrages mais peuvent dépasser 1 000 m3/s sur beaucoup de fleuves et dans certains cas atteindre 5 000 m3/s. La charge d’eau à la fin de la coupure est souvent de l’ordre de 2 m mais a été voisine de 10 m à Cabora Bassa sur le fleuve Zambèze. Les matériaux utilisés pour la coupure peuvent être petits (graviers, recouvrement de carrière, marinage de galerie), moyens (produits de carrière ou enrochement) ou gros (blocs de béton jusqu’à 10 ou 20 t). Les volumes de ces matériaux variés sont similaires pour ces digues de fermeture mais leur coût unitaire varie beaucoup. Le coût par m3 a été au-dessus de 100 USD pour les blocs en béton, environ 20 USD pour les enrochements sélectionnés et quelques USD pour les petits matériaux. Ils auraient été même négligeables ou effectivement nuls si ces matériaux avaient été extraits des excavations principales.

Il y a deux étapes durant la coupure de la rivière : - Lorsque la chute d’eau est inférieure à 20 ou 30 % de la profondeur de la rivière, la vitesse de l’eau le long des matériaux déversés sera inférieure à la vitesse moyenne de l’eau de la rivière et les petits matériaux, avec des diamètres de l’ordre de 25 % de la hauteur de chute, peuvent être utilisés. - Lorsque la hauteur de chute est plus grande que 30 % de la profondeur de la rivière, l’écoulement devient critique ou torrentiel et les diamètres des matériaux nécessaires devront être proches de 80 % de la hauteur de chute. Ceci implique une augmentation significative du poids des matériaux, dont chaque élément devra alors peser 20 fois plus que ceux de la première étape. Il y a deux manières de réduire les coûts : - Utiliser des matériaux bon marché pendant la première étape qui concerne la plus grande

longueur de la digue. - Faire appel à deux digues de fermeture pour partager en deux la chute. Avec cette méthode

le volume de matériaux nécessaires est multiplié par deux, le poids de chaque élément nécessaire est divisé par 23 (soit par 8) et le coût unitaire des matériaux requis par m3 sera divisé par beaucoup plus que 3, la plupart du temps par 5. Le résultat est que le coût total sera divisé environ par deux. Pour les hautes chutes il peut même être conseillé de faire appel à 3 digues. Le volume est multiplié par 3, le poids des éléments nécessaires divisé par 33 (soit par 27) et le coût par m3 divisé par bien au-dessus de 3. En utilisant 2 ou 3 digues de fermeture on pourra réduire le coût et/ou dériver la rivière pour de plus gros débits, soit plus tôt à la fin de la saison des crues pour donner plus de temps pour la construction des batardeaux et la partie basse du barrage. Cette variante a été utilisée sur de très grands fleuves tels que le Parana (Itaipu), le Zambèze (Cahora Bassa) et le Yang Tsé (Trois Gorges.) Il peut être justifié à l’avenir pour beaucoup de barrages, même pour des débits de quelques centaines de m3/s.

Pour des débits de l’ordre de 100 m3/s, la dernière partie de la coupure peut être faite entièrement avec de petits matériaux si la coupure est effectuée par des bouteurs poussant en quelques minutes 100 ou 200 m3 de matériaux vers la brèche. Pour toutes les coupures des essais sur modèle réduit sont très utiles. Fermeture finale

La fermeture finale des galeries de dérivation est généralement faite par des vannes, le but ne devrait pas être de faire des économies mais d’assurer une opération fiable et réussir son achèvement. Des précautions sont à prendre pour éviter de possibles incidents incluant ceux dus aux débris flottants. Une programmation attentive de telles opérations devrait être entreprise et analysée en détail pour éviter des retards qui peuvent être très coûteux et problématiques à ce moment critique de la construction.

3.1.2. Conception générale des ouvrages

La conception générale des ouvrages d’un projet de barrage est une activité majeure dans le processus de définition du projet et de réalisation de possibles économies. La conception

générale comprend l’implantation des différents éléments du projet : le barrage, l’évacuateur de crue, les ouvrages de dérivation provisoire et les ouvrages nécessaires aux buts principaux du projet tels que l’hydroélectricité, l’irrigation, la fourniture d’eau, etc. Par conséquent, alors que les économies sont possibles et peuvent être réalisées dans l’étude et la construction de parties individuelles du projet, qui comprend évidemment le barrage, l’interaction entre les différents ouvrages composant le projet est aussi très importante afin d’optimiser l’ensemble du projet. Le coût total d’un projet de barrage comprend essentiellement le coût de l’ingénierie et d’élaboration du projet, le coût de réduction des problèmes environnementaux et de recasement, le coût de construction, le coût d’exploitation et le coût du financement du projet. En règle générale, les coûts de construction et de financement dépassent largement ceux de l’ingénierie et de l’exploitation. Par conséquent tout effort pour réaliser un projet avec un coût effectif doit se concentrer en premier sur le coût de construction et la durée correspondante de la construction et son cash-flow, qui déterminent, parmi d’autres facteurs, le coût du financement. Les sites de barrage sont toujours différents les uns des autres et leurs paramètres caractéristiques affectent différemment les définitions techniques et économiques des ouvrages. Les facteurs en questions comprennent :

- La géométrie du site (topographie). - La géologie et les caractéristiques des fondations. - L’hydrologie (grandeur et distribution des écoulements qui affectent la

construction et les dimensions requises pour les prises d’eau définitives et les évacuateurs de crue).

- Les actions sismiques. - Les transports solides (les problèmes relatifs à la sédimentation doivent être

pris en compte dès le début du projet, comme discuté dans une autre partie de ce bulletin).

- La facilité relative des accès pour le matériel de construction et les matériaux. - La possibilité d’avoir recours à de la main d’œuvre qualifiée. - La possibilité de se procurer en dehors du site les matériaux de construction

(principalement le ciment et les aciers). - Les paramètres généraux de l’économie locale tels que les taxes, l’inflation, les

facilités de crédit et ainsi de suite. Le barrage et ses ouvrages annexes (principalement l’évacuateur de crue et les conduits de dérivation) sont souvent une partie d’un aménagement qui inclut d’autres éléments tels que les ouvrages pour produire de l’électricité ou pour l’irrigation. Dans la plupart des cas, la « meilleure » ou « la disposition la moins coûteuse » est influencée ou affectée par les ouvrages qui ne font pas partie du barrage, mais qui peuvent représenter une part substantielle de l’investissement total du projet. Pour cette raison, le projet optimal du point de vue économique doit être étudié et développé en prenant en considération les dépenses impliquées dans sa réalisation complète. Dans la plupart des projets hydrauliques, le barrage lui-même est un élément majeur du projet et la sélection du type de barrage représente une part essentielle dans sa définition. Le type de barrage et l’implantation de son axe sont normalement considérés ensemble durant la phase d’ingénierie du projet. Ces deux paramètres très importants sont interdépendants parce que la

localisation de l’axe du barrage sur un site particulier a une influence sur les caractéristiques de la fondation (qui peuvent conditionner le type de barrage), le volume du barrage, la possibilité d’implanter les conduits de dérivation dans les rives ou de faire appel à d’autres types de dérivation, etc. Certaines caractéristiques majeures du site peuvent empêcher d’adopter économiquement certains types de barrage. Le manque d’argile ou de dépôts de sols silteux convenables se trouvant à une distance économique du site ou quand ce n’est pas le cas, l’existence d’une très longue saison des pluies, empêchera normalement la formulation compétitive d’un projet basé sur un barrage du type terre ou terre et enrochement. Un barrage en béton demande des fondations rigides à une profondeur raisonnable d’excavation. Si les horizons de rocher sain ne sont pas près de la surface et si le rocher décomposé nécessite de lourds traitements de fondation, la sélection de ce type de barrage sur un tel site peut conduire à des coûts excessifs. Si c’est le cas, les études d’ingénierie peuvent être immédiatement orientées vers d’autres types de barrage, faisant gagner du temps pour atteindre la solution finale. Cependant cette affirmation ne doit pas être interprétée comme rendant inutile le besoin d’investigations sur le site, celles-ci devant être approfondies et obligatoires dans tous les cas. On doit aussi noter, qu’à l’exception de quelques cas évidents, il n’est pas recommandé de trop baser les premières investigations sur le site sur un seul type de barrage alors que des études supplémentaires montreront qu’une autre variante serait meilleure et que de nouvelles investigations complémentaires pourraient se révéler très coûteuses par la suite. Ayant fait les commentaires ci-dessus, qui sont de toute façon largement connus de la profession, les critères suivants peuvent être utiles dans le choix d’un projet efficace du point de vue du coût :

� le projet qui permettra d’avoir le plus court délai de construction possible (ou en d’autres termes, la production de revenue ou de bénéfices tirés du projet) sera normalement le projet optimal du point de vue économique. Cette observation est valable si le but de l’aménagement est l’hydroélectricité mais, dans d’autres cas, une optimisation entre le coût et le délai de construction doit être entreprise,

� le projet qui permettra une séquence de construction sans interruption ou des pics répétés pour un même type de travail, par exemple, le placement du béton avec une distribution uniforme tout au long de la construction, conduira aussi à l’aménagement le plus économique,

� le projet dans lequel on pourra éviter d’avoir un stockage intermédiaire de quantités substantielles de déblais provenant des fouilles et réutilisés comme agrégats de bétons ou enrochements, aura un impact important sur les coûts de construction,

� le projet qui produit une utilisation équilibrée de matériaux entre les excavations requises et les éléments définitifs du projet, par exemple les déblais provenant du chenal de l’évacuateur de crue et utilisés dans le barrage en remblai. Ceci doit être très bien étudié parce que le rythme d’excavation doit être synchronisé avec le rythme de construction du remblai, sinon il sera nécessaire d’avoir un stockage intermédiaire coûteux. Ceci peut conditionner différentes caractéristiques du projet et de la construction telles que : la taille des chenaux définitifs, le zonage du barrage, les routes de chantier, etc. et peut imposer à l’entrepreneur des contraintes sur le programme de construction impliquant des coûts excessifs. Dans beaucoup de récents travaux, la solution la plus économique a été obtenue quand les dimensions des ouvrages définitifs, tels que les fouilles des chenaux, ont été définies uniquement par leur fonction et non pas par le problème d’utilisation des déblais dans le barrage (bien

qu’il soit toujours possible d’utiliser le matériau produit dans d’autres ouvrages). Dans ces cas, l’utilisation d’une carrière indépendante a prouvé que c’était la meilleure solution. Néanmoins, il est aussi vrai que pour beaucoup de récents barrages en enrochement à masque en béton armé (BEMB), au Brésil et en Chine en particulier, l’optimisation du projet a été obtenue en utilisant un plus long et plus grand chenal d’entonnement vers la centrale ou l’évacuateur de crue et de plus courtes conduites forcées, mais aussi de plus grandes excavations pour la centrale à ciel ouvert. Dans ces cas, les matériaux excavés des ouvrages définitifs ont remplacé une autre carrière beaucoup plus lointaine. Ceci illustre parfaitement le point déjà énoncé qu’un bon projet doit optimiser l’ensemble de l’aménagement et pas seulement l’une de ses composantes.

Un élément essentiel à considérer dans la formulation d’un projet économique est relatif à la dérivation et au contrôle de la rivière pendant la construction. Ceci est naturellement très lié à la taille du projet, à la valeur des débits et à leur distribution tout au long de l’année. Les différentes possibilités et moyens pour améliorer les performances et réduire les coûts ont déjà été discutés dans ce bulletin. 3.1.3. Fondations de barrages L’occasion de faire des économies dans le projet de fondation de barrage est très problématique à cause des risques associés. En fait, les fondations de barrages, spécialement pour ceux qui sont hauts, sont un domaine dans lequel les paramètres utilisés pour définir le projet approprié sont difficiles à appréhender et doivent être traités avec une grande attention. Les données fournies par la Comité japonais de grands barrages (voir annexe 1) indiquent que pour les barrages japonais, le coût pour le traitement des fondations compte, en moyenne, pour 8 à 9 % du coût total pour les barrages en remblai et environ 5 % pour les barrages en béton. On ne sait pas si des informations semblables sont valables dans d’autres pays, mais le pourcentage du coût de traitement des fondations devrait être plus élevé pour les barrages construits sur des alluvions profondes, sur du karst et autres formations défavorables, comme dans les cas rapportés dans la Question 37 du 10ème Congrès de la CIGB (Montréal 1970.) Dans tous les cas, les décisions du projet qui se rapportent aux fondations de barrages doivent être basées sur une exploration complète et exhaustive du terrain, qui doit inclure des sondages, des mesures de perméabilité et autres essais géotechniques, et pour les barrages les plus hauts, des galeries de reconnaissance. On a parfois considéré comme logique de dire que si un site n’a pas fait l’objet d’une investigation complète, le degré de conservatisme doit être plus élevé, ce qui peut être interprété comme un programme de traitement des fondations plus «intense». Cependant c’est une dangereuse erreur et une fausse conclusion parce qu’un programme de traitement basé sur des données insuffisantes ne peut accomplir ce pour lequel il a été établi. Des économies dans le projet et le programme de traitement des fondations ne peuvent être envisagées que sur les sites qui ont fait l’objet d’une bonne investigation géologique. Possibilités d’économies relatives au programme de construction

L’impact d’un programme de traitement des fondations sur le coût de la construction du barrage peut être analysé en considérant individuellement le coût des quantités et des services résultant de la mobilisation et de l’usage de la main d’œuvre, des matériaux et matériel, et l’impact des opérations de traitement de la fondation sur le chemin critique de l’ensemble des

activités de construction. Ces deux aspects du programme de traitement de la fondation révèleront en général que, bien que le premier impact puisse rarement être changé pour réduire les coûts (parce que la qualité et les performances de la fondation du barrage en dépendent), le second impact peut, dans beaucoup de cas, être géré dans le programme global de construction pour produire des économies considérables. Il est clair cependant que ces deux aspects ne sont pas totalement indépendants l’un de l’autre, et certains moyens et procédures pour écarter le traitement des fondations du chemin critique de la construction peuvent être vus comme affectant la qualité du programme de traitement. Comme pour d’autres aspects de l’ingénierie des barrages et de la construction, des considérations professionnelles adaptées doivent être utilisées pour prendre les bonnes décisions. Des exemples de programmes de traitement des fondations qui donnent de la flexibilité au programme de construction sont les moyens conventionnels de traiter la fondation de la plinthe des barrages en enrochement à masque en béton, qui n’affecte pas le programme du barrage en enrochement, comme c’est le cas pour les barrages en enrochement à noyau en terre. La procédure non conventionnelle (mais très souvent utilisée) consiste à injecter la fondation des barrages en béton à partir d’une dalle amont plutôt qu’à partir d’une galerie à l’intérieur du corps du barrage. Un avantage de cette pratique serait aussi de placer le rideau d’injection à l’amont immédiat de la fondation du barrage. L’efficacité de telles injections à faible pression est cependant discutable. Par ailleurs, et spécialement dans le cas des barrages-voûtes, la zone de pied amont est souvent soumise à des tractions sous des charges non usuelles. Dans de tels cas il est important d’assurer l’intégrité et la continuité de l’étanchéité entre le barrage et le rideau d’injection. Les impacts de coûts sont naturellement liés à la possibilité de réaliser des pointes de travail plus importantes dans d’autres activités concernant la construction des barrages et de réduire ainsi la nécessité d’avoir des matériels plus lourds. Un autre exemple d’une technique intéressante pour réduire l’influence du traitement de la fondation sur le programme de construction est celui qui a été appliqué dans des projets de barrage où de grands batardeaux doivent être construits dans des rivières avec des débits très marqués selon les saisons et une couverture épaisse d’alluvions. Dans ces cas, l’enlèvement des alluvions pour la construction du batardeau n’est souvent pas possible ou est très difficile et coûteux s’il est nécessaire de le faire pendant une seule saison sèche, en utilisant une concentration de matériel et de services spécialisés. Une solution qui a été utilisée est de construire un diaphragme ou un rideau d’étanchéité, peut-être avec du jet-grouting ou un autre moyen, durant une saison sèche et de laisser les flots de la saison humide chargés de sédiment, s’écouler librement sur le site. La construction pourra être reprise à la saison sèche suivante et le batardeau complété, en même temps que les excavations à l’aval pour les ouvrages définitifs. L’utilisation de galeries pour les travaux d’injection dans les barrages en enrochement, à noyau en terre ou à masque amont en béton, est liée en général aux doutes de pouvoir achever, par une autre méthode, les travaux d’injection avec des contraintes de programme raisonnables. Les galeries peuvent aussi être utilisées pour permettre la mise en place des remblais indépendamment du traitement d’injection sous le noyau en terre. Les galeries sont normalement coûteuses et rarement justifiées dans le but de faire des économies sur l’investissement, mais peuvent parfois être utiles pour le drainage et l’auscultation des barrages.

Injection du rocher de fondation

Les rochers de fondation peuvent évidemment être de différents types et caractéristiques. Le rocher est généralement considéré comme le meilleur et le plus sûr matériau de fondation pour tous les types de barrage et est généralement traité par des injections et des drainages. Cependant les rochers de fondation peuvent être difficiles à excaver et nécessitent différents types de traitement quand la fondation est formée en partie ou entièrement de types de rochers défectueux. En fait, on ne peut jamais être absolument sûr de l’absence de discontinuités locales ou de zones plus faibles dans la masse rocheuse pouvant initier des mécanismes de rupture quand ces zones sont soumises à des chargements. Néanmoins, il est fréquemment admis que si un programme de reconnaissance complet a confirmé que le rocher est sain en surface et en profondeur, un programme de traitement de fondation moins développé peut être considéré. Ceci peut signifier une excavation réduite pour obtenir des fondations de barrage acceptables et des injections et drainages strictement prévus pour contrôler les fuites et les sous pressions. Il y a eu beaucoup d’opinions controversées sur les critères à utiliser pour les opérations d’injection dans le rocher de fondation. L’objectif principal de ce traitement est normalement de créer un rideau capable de contrôler la perméabilité de la fondation. Ceci nécessite une estimation des paramètres de perméabilité et d’injectabilité, pour évaluer la probabilité d’avoir un rocher fissuré permettant la pénétration du coulis dans les fines fissures. Des essais d’injection sont normalement effectués pour évaluer ces conditions. Dans ces essais, la composition du coulis, les pressions appliquées et les séquences d’injection sont expérimentés et évalués. Comme indiqué dans les discussions présentées dans le Rapport général de la Question 84 de la CIGB, il y a différentes opinions sur la fiabilité de l’évaluation de la perméabilité et sur l’utilisation du paramètre simple du Lugeon (LU) pour mesurer les conditions de perméabilité sur lesquelles les programmes d’injection sont basés. Beaucoup de critiques disent qu’un conservatisme excessif, et donc des dépenses non nécessaires, résulte souvent de ces évaluations. Outre les rideaux d’injections et de drainage pour contrôler la perméabilité et les forces de sous pression, l’utilisation des injections de consolidation est parfois effectuée pour augmenter la rigidité des zones superficielles du rocher de fondation mais des questions se posent sur son efficacité. Pour utiliser cette procédure, il faut que le rocher soit injectable, c’est-à-dire capable d’absorber le coulis et la confirmation de cette caractéristique nécessite un programme d’essais relativement simple. Le résultat recherché est une augmentation du module de déformation de la fondation supportant le barrage et une amélioration de l’homogénéité de la structure de la roche. Des critiques disent que les résultats éventuels sont difficiles à vérifier et qu’il est trop risqué d’inclure ces améliorations supposées dans les critères du projet. Ceci suggèrerait que, pour des excavations correctement exécutées par le procédé des tirs amortis (smooth blasting), des injections de consolidation ne devraient être utilisées que si le besoin ou l’amélioration des fondations sont clairement définis pour justifier ce traitement et son coût. Cependant ceci, comme bien d’autres sujets sur le thème du traitement des fondations, fait encore l’objet de beaucoup d’avis contradictoires. Fondations non rocheuses

Pour les types de fondation autres que dans le rocher sain, le projeteur doit être aussi très prudent en cherchant des réductions de coûts à cause de la variabilité des conditions et des difficultés associées à l’efficacité des traitements proposés. Des cas importants et des

exemples ont été présentés et discutés dans la Question 84 de la CIGB (Barcelone 2006) et au Symposium tenu à Antalya en 1999. En général, seuls les barrages en béton de faible hauteur, tels que ceux représentés par les entrées des évacuateurs de crue sur les sites de barrage en remblai, devraient être projetés sur les fondations non rocheuses car ils peuvent, difficilement, absorber les déformations de la fondation. Si des économies sont recherchées, les barrages en béton fondés sur des fondations non rocheuses ou non rigides, ne doivent pas normalement être considérés comme des variantes réalistes. Cependant on doit noter que certains types récents de barrage, dérivés de la technique du BCR, tels que les barrages en remblai dur, les barrages en remblai dur à parements symétriques, les barrages en CSG (Cement, Sand and Gravel), peuvent être construits sur des fondations plus faibles et déformables, pourvu naturellement que les mesures usuelles aient été prises pour contrôler les fuites, les sous pressions et les érosions régressives dans la fondation. Cette nouvelle possibilité est due au module d’élasticité plus faible et au coût unitaire plus bas du matériau. Cette dernière caractéristique permet d’adopter de façon économique des profils symétriques pour le barrage, avec de plus faibles contraintes en fondation et qui changent peu sous les différents cas de charge.

Pour les sites où la surface du rocher pour supporter le barrage en béton ne peut être atteinte de façon économique, des variantes de barrages en terre ou en enrochement doivent être considérées. Les traitements de fondation pour ces types de barrage consistent essentiellement à contrôler les fuites qui autrement pourraient causer des érosions de la fondation et des renards. Les moyens correspondants utilisés dans ce but sont généralement des systèmes de paroi moulée ou d’augmentation du contact avec la fondation pour diminuer le gradient hydraulique et donc la force d’érosion ou une combinaison des deux concepts. Dans tous les cas il y aura besoin de les combiner avec des travaux de décompression par drainage et filtres appropriés pour contrôler la migration des particules fines. L’efficacité de la solution basée sur tous ces concepts dépend des conditions naturelles du site et de l’adéquation de la solution spécifique et de la technologie employée. L’implantation de n’importe laquelle de ces solutions aura en général une influence significative sur le programme de construction, et dans beaucoup de cas dans la formulation du projet général. Un exemple de cette influence croisée dans d’autres caractéristiques du projet pourrait être la construction d’un tapis d’étanchéité à l’amont du barrage pour réduire le gradient hydraulique à travers la fondation. Quoique le coût d’un tel tapis ne soit pas très élevé en général, sa longueur nécessaire peut obliger à déplacer plus à l’amont les entrées des galeries de dérivation provisoire et d’augmenter ainsi la longueur et le coût de ces galeries. Un écran étanche peut être fait en remplaçant les sables et graviers perméables avec de la terre compactée ou en construisant une zone mince ou un mur imperméable en utilisant différentes technologies. Parmi celles-ci, la plus commune pour des fondations en sable et gravier sont les parois moulées construites avec des mélanges de sol-bentonite ou sol-ciment-bentonite et/ou des murs en béton et/ou en palplanches. Chacune de ces solutions (et en fait d’autres non mentionnées ici) implique des éléments de coût qui comprennent les études et essais pour déterminer la procédure adéquate à utiliser, la main d’œuvre spécialisée pour les réaliser, les matériels spécialisés à amener sur le site en temps voulu, les matériaux spéciaux et souvent des royalties pour l’utilisation de technologies brevetées. Cependant, l’un des impacts sur les coûts les plus importants en formant une telle paroi moulée peut être l’interférence résultante avec le programme de construction. Ce dernier peut être allongé si le degré d’étanchéité visé initialement n’est pas atteint et que des travaux supplémentaires doivent être entrepris.

Ce problème est plutôt courant, spécialement si le projet nécessite d’atteindre le bed-rock sous la couverture alluviale. Evidemment, si la construction de la paroi est faite en dehors de l’emprise du barrage, par exemple pour les BEMB, comme il est mentionné plus haut, l’impact sera beaucoup plus faible. Tous ces facteurs indiquent le besoin pour le projeteur et l’entrepreneur de consacrer assez de temps et d’effort à rechercher et évaluer tout site particulier avec les caractéristiques associées au projet et d’être capables de choisir la technologie la plus efficace et la plus économique. Un bon exemple d’utilisation de différentes techniques est donné par la récente construction du barrage de Peribonka au Canada dans un canyon profond rempli d’alluvions. La technique a consisté à utiliser la vibro-densification des alluvions jusqu’à une profondeur de presque 50 m et à consolider les alluvions en utilisant la technique des « tubes à manchette » de chaque côté de la paroi moulée en poursuivant ce traitement jusqu’à une profondeur excédant 125 m. 3.1.4. Barrages-poids en béton Depuis l’apparition et le succès des barrages en BCR, les constructions de barrage-poids en béton conventionnel ont pratiquement disparu de la scène. La raison est bien connue et s’explique par les considérations économiques. Le BCR est une méthode de construction des ouvrages en béton de masse qui combine les avantages d’une construction rapide et mécanisée avec des réductions d’emploi de ciment si on le compare avec le Béton Conventionnel Vibré (BCV). Cependant, le facteur-clé pour les économies est la réduction des délais de construction et l’utilisation intensive des équipements mécanisés. Les méthodes de construction des barrages en BCR ont énormément évolué depuis ces 30 dernières années. Le but des efforts de l’ingénierie a été, et est encore, de réduire autant que possible la durée de construction, en évitant tous types d’interférences dans les opérations de construction mécanisées. Bien que les barrages en BCR aient les mêmes exigences, du point de vue des structures, que les barrages conventionnels en béton, le béton pour pouvoir être compacté par des rouleaux vibrants doit être plus rigide et en même temps maniable. Le corps du barrage est formé de couches construites en étalant et en compactant le béton. Si les couches sont mises en place en une séquence rapide pour permettre le placement de chaque levée avant la prise de la couche inférieure, alors aucun traitement n’est nécessaire. Si ceci ne peut se faire, alors des discontinuités pourront apparaître et l’intégrité structurelle et l’étanchéité recherchées peuvent être mises en danger. Des joints verticaux (waterstops) et des inducteurs de fissure seront nécessaires pour contrôler les effets des changements de température et dans certains cas des membranes étanches sont incorporées dans le parement amont. Tous ces éléments peuvent perturber la construction et causer non seulement des retards mais aussi des dépenses liées au recours à des métiers plus spécialisés. Pour ces raisons il est important de retenir que le BCR n’est pas seulement un moyen de construire un barrage-poids en béton conventionnel avec quelques parties en BCR, mais plutôt que les barrages en BCR doivent être conçus comme tels dès le tout début de la phase du projet pour obtenir le maximum d’économie en utilisant autant de BCR que possible. Pour surmonter quelques problèmes d’interférence dans la construction des barrages - ou du moins pour les simplifier - tout en maintenant les spécifications sur les structures et l’étanchéité, différentes méthodes et concepts ont été proposés pour la composition du BCR et les procédés de construction. Il y a beaucoup d’aspects sur les méthodologies valables pour lesquelles les opinions varient à l’intérieur de la profession, comme la meilleure méthode ou le meilleur concept en termes d’économie et d’efficacité des coûts. Il est possible qu’un site

particulier et aussi l’expérience d’un entrepreneur donné conduisent à un type de méthodologie, mais il est apparent que différentes écoles de pensée tendent à favoriser différentes méthodes et procédés développés indépendamment. Cependant il y a beaucoup d’exemples de barrages en BCR bien projetés et bien construits, illustrant toutes les méthodologies valables. Les différences essentielles sont peut-être uniquement liées aux économies sur un site particulier et non à la qualité du produit final. Concernant la vitesse de construction, quelques particularités techniques importantes sont actuellement utilisées, de façon plus ou moins routinière, dans la construction des barrages modernes en BCR. Des adjuvants spéciaux, tels que les retardateurs de prise, sont fréquemment utilisés à présent afin d’éviter les traitements coûteux des joints entre couches. La Méthode des Couches Inclinées (MCI) développée à l’origine durant la construction du projet de Jianggya en Chine (1997), consiste à répandre le BCR en couches inclinées, avec des pentes variant de 1 sur 8 à 1 sur 20, et formant une simple levée d’épaisseur de 3 à 4 m. Des descriptions détaillées de la méthode peuvent être trouvées dans des publications techniques variées. La MCI représente un changement utile par rapport à la méthode de construction d’origine par couches horizontales de BCR, lorsque la surface des couches à mettre en place est grande. Pour le barrage de Wirgane au Maroc, de taille moyenne, cette méthode a en plus permis, en plaçant le BCR successivement en rive gauche et en rive droite, de diminuer le nombre de coffrages pour les deux parements du barrage. De plus, en mettant en place le BCR de la rive gauche, simultanément et sans interférence, avec le BCV des ouvrages annexes en rive droite, on a pu réduire la durée totale de construction. L’avantage de la méthode est basé sur le besoin de mettre en place les couches à l’intérieur du temps de prise de la couche précédente ou d’être recouverte par un mortier de reprise pour assurer une liaison adéquate entre couches. Dans la méthode de mise en place par couches horizontales d’une rive à l’autre, il est difficile d’éviter la nécessité d’étaler un mortier de reprise entre couches. Avec la MCI, la surface supérieure exposée (joint chaud) est considérablement réduite, ce qui permet une séquence complète de mise en place du BCR plus rapide. L’utilisation du mortier de reprise est alors limitée à tous les 3 ou 4 m, au lieu de tous les 30 cm. Une autre amélioration très notable, largement utilisée à présent et qui contribue significativement à des réductions de coûts, est le BCR enrichi au mortier (Grouted Enriched RCC ou GE-RCC en anglais). C’est aussi une technologie d’origine chinoise utilisée maintenant pour rendre plus étanches le parement amont du barrage et le contact de ce dernier avec les rives. Il remplace effectivement d’autres méthodes telles que l’utilisation de zones équivalentes en BCV. La méthode GE-RCC consiste à répandre un coulis ciment-eau sur la zone à traiter en BCR non compacté - en quantités suffisantes pour être entièrement absorbé par le BCR précédemment mis en place - et ensuite de vibrer la zone en question à l’aide d’aiguilles vibrantes comme dans la méthode conventionnelle. Des recommandations sur son usage, sur la technicité de la méthode et sur les proportions de mortier et ciment dans le BCR peuvent être trouvées dans les publications correspondantes. Malgré l’étanchéité supplémentaire de la zone traitée, pour les très hauts barrages, tels que le barrage de La Miel de 188 m de hauteur, en Colombie, une étanchéité par revêtement externe (dans ce cas une membrane en PCV) a été appliquée en plus de la zone traitée par la méthode GE-RCC. L’expérience de récents grands barrages en BCR a montré que des réductions importantes de coût et de délai de construction, permises notamment par cette technique, ont été obtenues avec :

- l’incorporation du batardeau amont en BCR dans le corps du barrage principal, - la possibilité de faire passer les crues de chantier importantes sur les batardeaux et le barrage principal pendant la construction, - l’utilisation de pouzzolanes naturelles, de basalte ou de calcaire finement broyé disponible à proximité des sites, lorsque les cendres volantes en sont éloignées, - l’adoption d’agrégats et/ou liants de moins bonne qualité près du site, mais avec un parement amont du barrage non vertical pour satisfaire aux conditions de stabilité et de contraintes maximales, - la réduction d’emploi, voire la suppression, des mortiers de reprise entre couches de BCR grâce à la MCI et à l’emploi des retardateurs de prise comme déjà signalé, - pourvu que de bonnes conditions géologiques le permettent, il peut être préférable de placer la centrale en souterrain sur une des rives ou sur les deux. Ceci présente de nombreux avantages : élimination de toute interférence entre le barrage et les ouvrages de production hydroélectrique (en particulier pour éviter les problèmes liés à l’implantation des conduites forcées et aux joints entre le barrage en BCR et les prises d’eau et/ou la centrale en BCV), mise en place continue du BCR sur toute la largeur de la vallée sans obstruction importante, allongement de l’évacuateur de surface et possibilité de déverser sur une grande longueur du barrage en construction (avec dans les deux cas, une possibilité de réduction importante des hauteurs de lames déversantes), suppression du batardeau entre le barrage et la centrale, possibilité de mise en service anticipée de la centrale car la construction du barrage n’est plus en général sur le chemin critique (les gains anticipés compensent, en partie ou en totalité, le supplément de coût de la centrale). Ceci est particulièrement vrai pour les projets avec, en même temps, de grandes puissances installées et de gros débits de crues comme il a été démontré sur l’aménagement de Longtan en Chine. Ces avantages seraient également obtenus si les conditions topographiques sont favorables et si on peut implanter la centrale à ciel ouvert, mais complètement séparée du barrage, dans l’une des rives, comme à Salto Caxias au Brésil. Il est à noter que dans ces cas, l’implantation générale des ouvrages serait analogue à ce qu’on aurait eu avec des barrages en remblai puisque les modes et contraintes de construction sont assez semblables, - sur un site où le bon rocher se trouve à assez grande profondeur et si un barrage en remblai nécessite des ouvrages d’évacuation de crue et de dérivation provisoire très coûteux, une solution de barrage en remblai dur à parements symétriques pourrait être intéressante.

D’autres techniques améliorées - pour la construction des barrages en BCR et les réductions de coût - peuvent être trouvées dans la littérature technique et ne seront pas discutées ici, parce qu’elles s’appliquent à des courants de pensée spécifiques ou à des critères associés à des cultures spécifiques. Ces techniques concernent principalement le projet des mélanges BCR : ciment, liants, agrégats et adjuvants. Cependant, un point particulier qui mérite attention est la pratique consistant à zoner le profil des grands barrages avec des BCR de différentes compositions pour réduire la quantité de matériaux coûteux, tels que le ciment,

dans des zones où les résistances requises sont plus faibles. Des calculs par éléments finis sont nécessaires pour définir un tel zonage. Cependant pour les barrages plus petits, les contraintes pour changer la composition des BCR peuvent créer des difficultés susceptibles d’excéder facilement les économies de matériaux. En relation avec le zonage des barrages en BCR, il est important de mentionner que le barrage japonais conventionnel en BCR est toujours zoné avec une zone externe épaisse en béton contenant un pourcentage élevé de ciment et une zone interne avec un mélange plus pauvre. Ce type de barrage est appelé Roll Concrete Dam (RCD), et jusqu’à présent son utilisation est essentiellement limitée au Japon. Il est normalement considéré comme plus cher qu’ailleurs. Comme mentionné dans le rapport du Comité japonais des grands barrages (voir annexe 1) des recherches sont conduites actuellement au Japon pour obtenir des économies pour ce type de barrage. En observant les différences dans les méthodologies valables pour la construction des barrages en BCR, il est important de garder à l’esprit que les entrepreneurs, en face de la tâche consistant à construire des barrages en BCR, sont capables de réaliser des économies significatives si on leur laisse une certaine flexibilité dans le choix de la méthode de construction la plus adaptée à leur savoir-faire, tout en obtenant et en garantissant la qualité du produit final. Ceci signifie que les spécifications pour la construction devraient se concentrer sur la qualité du produit désirée et non nécessairement sur les méthodes et le matériel à utiliser. Un exemple intéressant est le barrage de Kinta, en Malaisie. Dans ce cas on n’avait ni spécifié les détails du matériel de production, tels que la station de concassage ou la centrale à béton, ni les méthodes de construction du BCR. Ceci a permis à l’entrepreneur de déterminer les méthodes et les équipements les plus économiques, mais reposant sur «la compréhension de la philosophie du projeteur». En principe, c’est le facteur-clé pour permettre des améliorations significatives dans la technologie de construction, avec pour résultats des économies. Cependant, pour éviter des problèmes de qualité, il est aussi très important que le projeteur et/ou le maître d’œuvre comprennent et acceptent les propositions de l’entrepreneur et suivent de près le processus de construction et le produit qui doit être réalisé. Dans le cas des barrages en BCR, il est aussi important de noter que le projet le plus économique consiste souvent à sélectionner les meilleurs matériaux (agrégats et liants) près du site et ensuite d’adapter le projet à ces matériaux, plutôt que d’adopter a priori un profil traditionnel de barrage en BCV et de rechercher plus tard les matériaux qui lui conviennent. Ceci veut dire que l’étude des matériaux valables pour le BCR doit être menée au début des études et non après le projet. La très bonne résistance des barrages en BCR (et des barrages en BCV), vis-à-vis des déversements, permet aussi de faire des économies sur les ouvrages de dérivation provisoire. Ceci est discuté dans une autre partie de ce bulletin. 3.1.5 Barrages-voûtes Caractéristiques des barrages-voûtes

Les barrages-voûtes ont la forme de grandes structures en coque. Contrairement au barrage-poids qui résiste à la pleine charge par son poids propre et le frottement à sa base, la stabilité d’un barrage-voûte est obtenue grâce à son poids propre et, dans une grande mesure, en

transmettant les charges imposées par effet d’arc aux deux rives de la vallée. Les barrages-voûtes travaillent essentiellement en compression, ce qui est spécialement favorable pour les matériaux avec des résistances élevées en compression tels que les bétons. Quand elle est soumise à des charges d’eau importantes, la géométrie d’une voûte peut permettre au barrage de s’arc-bouter contre les rives de la vallée en augmentant sa résistance. De plus les résistances du matériau sont augmentées par l’étreinte coaxiale. Théoriquement la géométrie de tels arcs peut être étudiée de telle façon que des contraintes maximales et égales apparaissent simultanément dans la plus grande partie de la structure. Ceci est une condition particulière pour les contraintes et permet de réduire au maximum l’épaisseur du barrage pour diminuer la quantité de matériau et faire des économies substantielles. Cependant, il est aussi important de s’assurer, avec de telles réductions, que la résistance au cisaillement demeure suffisante au niveau de la fondation du barrage. La plus faible épaisseur des barrages-voûtes, comparée à celle des barrages-poids, signifie aussi une réduction des sous-pressions totales en fondation. Cependant la plus courte distance entre l’amont et l’aval signifie aussi des gradients de fuite plus élevés que dans le cas des barrages-poids. On doit aussi y penser et le prendre en compte dans le projet. Les points discutés ci-dessus signifient que les barrages-voûtes représentent une forme particulièrement économique de construction avec une quantité totale de matériau comprise entre 1/3 et 2/3 de celle nécessaire pour un barrage-poids équivalent. Ceci signifie aussi que les barrages-voûtes conviennent en particulier pour des barrages de grande hauteur tandis que les barrages-poids conventionnels sont plus adaptés pour des ouvrages de faible hauteur. Certainement lorsque la topographie, la géologie et les matériaux le permettent, les barrages-voûtes devraient être considérés comme une option dans toute comparaison de variantes. La grande résistance des barrages-voûtes est reconnue depuis des siècles comme l’attestent certains des plus anciens barrages en maçonnerie existant encore au Moyen Orient. Selon les données enregistrées jusqu’à présent, il y a eu peu de ruptures de barrages-voûtes et aucune n’est due à un tremblement de terre. Jusqu’aujourd’hui, un grand nombre de barrages-voûtes a été construit : par exemple en Chine, il en existe 500 de plus de 30 m de hauteur, 60 de plus de 70 m, et 15 de plus de 100 m. Par ailleurs, 3 de plus de 250 m de hauteur sont en cours de construction. Site et axe du barrage

Sélection de la topographie La géométrie du site du barrage est la considération de base dans la sélection d’un barrage-voûte. Elle affecte directement et grandement la poussée totale exercée par la retenue et la distribution des charges hydrostatiques à chaque niveau. Par conséquent, c’est le premier des facteurs importants qui contrôle l’économie du projet. Les barrages-voûtes conviennent bien dans les vallées en forme de U ou de V. Un barrage-voûte est économique dans les canyons avec un rapport longueur/hauteur de 3 à 4. L’avantage économique le plus important est généralement obtenu pour un rapport inférieur à 3, mais les sites avec des rapports supérieurs à 4 peuvent aussi être envisagés pourvu que le projet soit étudié de façon appropriée. Avec les présentes règles de l’art, de projet de barrage-voûte calculé par ordinateur, il est possible d’obtenir des «projets optimisés» sur des sites qui auraient été considérés comme difficiles dans le passé. Des facteurs autres que le rapport

longueur/hauteur deviennent beaucoup plus prédominants pour les sites de barrage avec des rapports supérieurs à 6. Pour ces sites, une étude attentive doit être conduite en tenant compte des contraintes de dérivation provisoire, de la disponibilité des matériaux de construction et des contraintes sur les ouvrages d’évacuation des crues et de vidange. Le choix final doit être basé sur des comparaisons économiques approfondies. Dans le cas des barrages-voûtes, plus la rivière est étroite plus il sera économique en terme de volume global. Mais dans ces cas, il peut y avoir aussi des difficultés pour l’implantation générale des ouvrages et des installations de chantier, pour l’exécution des fouilles et aussi pour maintenir la stabilité des rives. Dans de telles situations, il devient très important de considérer tous les facteurs qui interagissent et de baser les comparaisons économiques sur l’ensemble du projet et non sur le barrage seulement. En faisant la comparaison entre les différents sites potentiels, on doit faire aussi attention aux facteurs qui peuvent faciliter la construction. Par exemple des sites de barrage choisis près de l’entrée ou de la sortie d’une gorge permettront de trouver des emplacements plus faciles pour les aires de construction avec de bonnes liaisons pour les transports. Si un site est au milieu de la gorge, on essayera de trouver une surface à ciel ouvert ou une plate-forme au-dessus de la crête du barrage. Par exemple, il existe de telles grandes surfaces, sur les deux rives et au sommet de la montagne, près du barrage-voûte de Xiluodu (271 m de hauteur) en cours de construction en Chine. Reconnaissances géologiques et fondation Un barrage-voûte exige un rocher de fondation solide de qualité suffisante pour résister aux charges imposées d’une part par son poids propre et d’autre part par celles produites par la retenue. Dans le but de sélectionner un site, une fondation avec une résistance à la compression suffisante pour supporter un barrage-poids traditionnel serait, en général, aussi satisfaisante pour un barrage-voûte. Mais comme les charges sont transmises à la fondation tout au long de la surface de contact entre le barrage et la fondation, les appuis d’un barrage-voûte doivent répondre à des exigences similaires à celles requises pour la partie la plus haute, mais en proportion de la valeur de la résultante des forces, et cela pour n’importe quelle cote de l’arc. En pratique, les fondations en fond de vallée et sur les rives sont rarement constituées d’un seul type de rocher de résistance uniforme. De plus, des zones faibles existent toujours, telles que des failles, des zones de contact, des zones cisaillées et des fissures. Il n’est par conséquent pas toujours nécessaire ou possible de poser un barrage-voûte sur un rocher complètement sain, solide ou homogène. Les barrages-voûtes sont capables de ponter de petites zones de faible résistance en fondation sans affecter significativement les contraintes internes. Des fondations peuvent être encore acceptables et économiques, même si on rencontre des failles plus grandes et relativement plus sérieuses et des zones de cisaillement. De tels facteurs peuvent affecter les contraintes dans le barrage ou la stabilité de la fondation mais sont acceptables, jusqu’à un certain point, pourvu qu’un traitement approprié et un renforcement par injection, béton de remplissage ou utilisation en fondation de dalles de transition en béton, aient été réalisés. Les reconnaissances pour les fondations des barrages-voûtes doivent en général être effectuées plus en détail que pour les autres types de barrage à cause des plus grandes contraintes impliquées et de la relation critique qui existe entre le barrage et sa fondation. Pour déterminer les profondeurs d’excavation convenables et les traitements de fondation

nécessaires, le type de rocher, la qualité du rocher, et la localisation et les caractéristiques des défauts en fondation doivent être précisément définis. Ceci est essentiel pour assurer la sécurité et l’économie d’un barrage-voûte non seulement du point de vue du projet mais aussi de la construction. Ceci peut être fait en utilisant les techniques de la géologie et de la mécanique des roches conformes aux règles de l’art et en faisant analyser de façon attentive les informations tirées des reconnaissances par des géologues compétents travaillant en étroite relation avec les ingénieurs spécialistes des barrages. Les grands barrages-voûtes peuvent justifier des reconnaissances spécialement approfondies, en particulier si des conditions géologiques plus compliquées prévalent. Implantation générale Pour un aménagement hydroélectrique, le projet inclut généralement la disposition du barrage, celle des ouvrages de production d’énergie et d’évacuation des crues. Dans l’étude du projet, on doit choisir la meilleure position pour le barrage, mais on doit aussi tenir compte de façon complète des autres contraintes pour obtenir la plus grande économie possible sur l’ensemble du projet. Dépendant de différentes conditions topographiques et géologiques aussi bien que de diverses conditions hydrologiques, on peut retenir, de façon ingénieuse, beaucoup de sortes de projets de barrage-voûte. Avec les barrages-voûtes hydroélectriques de grande hauteur situés dans des canyons plutôt étroits et avec des contraintes de grande puissance installée ou d’évacuation de grosses crues, il peut être économique de placer la centrale immédiatement à l’aval de la voûte. Un exemple d’aménagement avec une centrale de grande puissance est celui de Lijiaxa en Chine terminé en 1997. Il comporte une voûte à double courbure de 165 m de hauteur. La centrale est située juste à l’aval du barrage avec deux rangées de groupes. Chaque rangée comporte 5x400 MW groupes disposés en parallèle fournissant une puissance totale de 2 000 MW. Les ouvrages de décharge sont situés sur les deux côtés de la centrale et à travers le barrage et on une capacité de 1 200 m3/s. Une telle disposition réduit effectivement la longueur de la centrale d’environ 55 % à 70 %. Un second exemple est la centrale de 400 MW de l’aménagement de Fengtan. Dans ce cas le barrage poids-voûte de 112,5 m de hauteur, achevé en Chine en 1978, comporte un évacuateur de crue de 14 900 m3/s surmontant la centrale qui est à l’aval immédiat de la voûte. Ceci permet non seulement des économies considérables sur l’excavation et le béton de la centrale mais aussi sur le barrage. Un bon et efficace usage peut être fait de la topographie si la vallée s’élargit brusquement à l’aval. Ceci peut faciliter l’implantation d’une centrale en rive et aussi celle des ouvrages de décharge de grande capacité. L’aménagement de Geheyan en Chine est un exemple typique. C’est un barrage poids-voûte de 151 m de haut, avec une puissance installée totale de 1 200 MW et un débit d’évacuation de 27 800 m3/s. La centrale est située en rive droite, à l’aval du barrage avec de courtes galeries d’amenée et des conduites forcées rectilignes, mais sans cheminée d’équilibre ou galerie de fuite. Des résultats très économiques ont été obtenus parce que les dispositions adoptées pour l’évacuateur de crue et la dissipation de l’énergie ont aussi été très efficaces. Pourvu que de bonnes conditions géologiques le permettent, il peut être préférable de placer la centrale en souterrain sur une des rives ou sur les deux. Ceci élimine toute interférence avec l’évacuateur de crue et les ouvrages de vidange placés au-dessus du lit de la rivière, ce qui permet l’optimisation de ces derniers à cet endroit. Ceci est particulièrement vrai pour les projets avec, en même temps, de grandes puissances installées et de gros débits de crues. De telles dispositions ont été adoptées pour quatre grands projets en Chine, notamment à Ertan,

Xiaowan, Xiluodu et Jinping. Le premier a été achevé en 1998 et les trois autres sont en cours de construction. Tous sont des barrages-voûtes en béton à double courbure avec respectivement des hauteurs de 240 m, 292 m, 271 m et 305 m, avec des puissances installées de 3 300 MW, 4 200 MW, 14 022 MW et 3 600 MW et avec des débits de crues de 23 900 m3/s, 22 600 m3/s, 52 300 m3/s et 13 897 m3/s. La séparation des ouvrages de production électrique et des ouvrages d’évacuation de crues facilite une exploitation indépendante et satisfaisante. De plus, la séparation des ouvrages minimise aussi toute interférence pendant les travaux rendant la construction plus facile, plus commode et plus rapide. Ces facteurs peuvent être spécialement importants pour de grands projets avec de longues périodes de construction parce que des économies considérables peuvent être obtenues si la durée globale de construction peut être réduite d’un an ou même de six mois. Matériaux Les barrages-voûtes peuvent être classés comme des ouvrages en béton, maçonnerie de ciment, BCR ou béton expansif selon les matériaux de construction utilisés. Pour des barrages de hauteur faible ou modérée, des voûtes en maçonnerie peuvent être économiques parce que de la maçonnerie peut être obtenue localement. Ces barrages n’ont besoin que de petites quantités de ciment et la méthode de construction est assez simple. De nombreux barrages-voûtes en maçonnerie ont été réalisés en Chine. Un total de 1 500 a été construit avec des hauteurs supérieures à 15 m. Parmi eux, 23 ont plus de 70 m de hauteur. Le plus haut comprend le barrage poids-voûte de Qunying achevé en 1971 et le barrage-voûte avec des arcs elliptiques de Xiahuiken achevé en 2002. Leur hauteur est de 101,3 m et 100,5 m et leur rapport épaisseur/hauteur de 0,52 et 0,20 respectivement. Un barrage particulièrement mince est la voûte de Tongkenxi, de 48 m de hauteur, qui a une base de 5 m d’épaisseur et un rapport épaisseur/hauteur de 0,104. Le BCR représente aussi une forme particulièrement économique de construction de barrage–voûte et la Chine a été la pionnière pour son utilisation dans les voûtes, en procédant essentiellement par tâtonnement. Un total de 8 barrages-voûtes en BCR a été réalisé (en 2008) avec 3 d’entre eux de plus de 100 m de hauteur. Le barrage-voûte à double courbure en BCR, de Shapai est le plus haut du monde et a été achevé en 2005, avec une hauteur de 132 m, une longueur en crête de 258 m et une épaisseur à la base de 28 m. Le second plus haut est le barrage de Shimenzi, qui est aussi une voûte à double courbure. Ce dernier a été achevé en 2001, avec une hauteur de 109 m, une longueur en crête de 187 m et une largeur à la base de 30 m. Puding est aussi un barrage poids-voûte en BCR achevé en 1993, avec une hauteur de 75 m, une longueur en crête de 196 m et une largeur à la base de 28,2 m. Une nouvelle technique de construction de barrage-voûte, dont la Chine est aussi pionnière, consiste à utiliser des bétons légèrement expansifs. L’intention est d’améliorer le comportement de la structure vis-à-vis de la fissuration et d’éviter aussi la mise en place des joints de contraction. Les deux facteurs simplifient grandement la construction, accélèrent le processus de progression de la construction et donc produisent des économies. Les pratiques pour les études et ingénierie pour cette nouvelle technique sont en train d’être développées et réalisées en Chine. Le barrage-voûte à double courbure de Changsha a été construit en 1999 et a été le premier au monde à appliquer cette technique, en utilisant du béton légèrement expansif contenant entre 2,23 % et 2,77 % de MgO dans le ciment, sans aucun joint de construction. Le barrage a 55,5 m de hauteur, 142,8 m de longueur et 9,6 m de largeur à sa

base. Le béton de tout le barrage a été mis en place en 90 jours seulement. Un autre exemple est le barrage-voûte à double courbure de Shalaohe achevé en 2001, avec une hauteur de 62,4 m, une longueur en crête de 184,8 m et une épaisseur à la base de 13 m. La quantité de MgO par rapport à celle du ciment a été de 4,0 % à 5,5 %. La durée totale de construction a été de 9 mois environ. Forme du barrage La forme d’un barrage-voûte est importante du point de vue de la sécurité et de l’économie. Les procédures d’optimisation, les technologies modernes et avancées de calcul sur ordinateur et les programmes permettent à présent de projeter de façon sûre les formes les plus économiques. Dans le cas des barrages-voûtes, on peut compliquer la forme pour économiser du volume, alors que cette forme devrait être aussi simple que possible pour faciliter la construction dans le cas des barrages-voûtes en maçonnerie ou en BCR. Pourvu que la stabilité au glissement en rives soit obtenue, le plus grand angle au centre d’une voûte doit être utilisé. Les angles au centre à chaque niveau sont généralement projetés pour être aussi égaux que possible afin de réduire le volume et le coût du barrage. En général, une voûte à simple courbure peut convenir pour une vallée en forme de U, tandis qu’une voûte à double courbure conviendrait mieux pour une vallée en forme de V. Les arcs utilisés autrefois dans la construction des barrages-voûtes étaient circulaires. Le développement des ordinateurs a permis d’explorer des formes plus compliquées. Celles–ci comprennent à présent des arcs circulaires avec trois centres, des arcs paraboliques, des arcs elliptiques, des arcs en spirale logarithmique, des arcs hyperboliques et des arcs quadratiques unifiés. Toutes ces formes ont été étudiées et utilisées pour améliorer l’état des contraintes internes et pour optimiser les volumes des barrages qui dépendent de la topographie et de la géologie du site, de la stabilité des rives et de la hauteur du barrage. Quelques exemples de telles formes de barrages-voûtes construits avec succès en Chine sont présentés ci-dessous : les arcs à trois centres ont été utilisés pour le barrage poids-voûte de Baishang et aussi pour la voûte en béton à double courbure de Jingshuitan. Ils ont 149,5 m and 102 m de hauteur, et ont été achevés en 1983 et 1987 respectivement. On a adopté pour les deux grands barrages de Xiaowan et d’Ertan des arcs paraboliques dans des canyons de forme typique en V, tandis qu’on a économisé 28 % de béton sur le barrage-voûte à double courbure, de Jiangkou de 140 m de hauteur, et qui vient d’être achevé, en utilisant des arcs elliptiques. Sur le site asymétrique du barrage-voûte de Longtouzhai, on a utilisé avec succès des arcs en forme de spirale logarithmique et en ajustant les paramètres correspondants. Ce dernier barrage a 90,7 m de hauteur et a été achevé en 1998. La forme adoptée a permis de faire des économies importantes sur le volume des fouilles. Sur le barrage-voûte de Xiwei de 65 m de hauteur achevé en 1999, des arcs quadratiques unifiés ont été utilisés avec succès pour faire face aux conditions géologiques complexes et non uniformes de la fondation des deux rives à différentes cotes. 3.1.6 Barrages en enrochements En général les facteurs principaux qui affectent le coût des barrages en enrochement sont : � le volume des remblais nécessaires pour le barrage principal, � la qualité et les caractéristiques nécessaires du zonage du remblai, � la vitesse et la continuité dans le déroulement de la construction,

� le type et la nature de l’organe d’étanchéité du barrage et/ou de ceux qui contrôlent les fuites et le drainage,

� le type et les caractéristiques de la fondation supportant le remblai. Le coût de construction d’un barrage en remblai est lié principalement au matériel, à la main d’œuvre et aux méthodes de construction utilisées et, dans une moindre mesure, aux coûts des matériaux importés, principalement le ciment et les aciers de construction. Le volume du remblai dépend bien sûr de la section et de la géométrie de la rivière mais aussi du profil du barrage, c’est-à-dire des pentes des talus amont et aval et de la largeur en crête. Evidemment le remblai doit être stable sous toutes les conditions de charge possibles et, pour simplifier, des caractéristiques des zones compactées à la fin. Celles-ci dépendent du type de matériaux utilisé, du compactage, des méthodes de construction qui détermineront les pentes à donner aux parements. Il devrait être clair, suivant ce qui a été exposé, que le zonage du barrage, formé de différents matériaux, placés par différentes méthodes et assumant différentes fonctions – telles que massif d’appui, création d’une barrière étanche, contrôle des percolations – peut induire des coûts qui peuvent contre balancer les efforts faits pour réduire le volume total du barrage. De plus, ces caractéristiques affectent les possibilités d’une séquence de construction plus ou moins régulière et ceci peut avoir un impact direct sur le coût de l’ensemble du projet. La disposition des matériaux meubles et des enrochements dans le profil d’un remblai est sans aucun doute un domaine où des économies peuvent être obtenues. En général des économies sont réalisées quand des sols ou rochers extraits des fouilles peuvent être utilisés dans les remblais, pourvu naturellement que les programmes soient compatibles et la qualité des matériaux adéquate. Si certaines zones demandent des matériaux de provenance lointaine ou de zones d’emprunt difficiles et/ou nécessitent des traitements pour obtenir une granulométrie appropriée ou l’élimination des éléments délétères, les coûts pourraient augmenter substantiellement. La mise en dépôt et la reprise des matériaux créent un très important facteur de coût qui doit, en règle générale, être évité en regard de l’économie. Cependant dans beaucoup de cas il est très difficile de l’éviter. Il est par conséquent très important de formuler des projets et spécifications pour les remblais en considérant attentivement les procédures de construction et les implications de coût en dehors du soin apporté normalement aux performances de l’ouvrage. Il est possible que l’ingénierie des barrages en remblai soit un domaine où les évolutions et innovations aient produit de substantiels progrès et les exemples enregistrés devraient être examinées et évaluées en tant que références pour de nouveaux projets. Quelques commentaires sur des types spécifiques de barrages en remblai sont présentés ci-dessous. Barrage en enrochement à masque en béton et barrage en enrochement à noyau en terre

Pour les barrages en enrochement à masque amont en béton de ciment (BEMB), le remblai doit être construit de manière à limiter les déformations du masque, d’assurer un libre drainage et empêcher le développement des pressions interstitielles. Cette dernière condition a souvent été interprétée de façon prudente comme une nécessité d’utiliser uniquement des roches saines qui ne se détérioreront pas au cours du temps ou génèreraient pas des fines qui pourraient obstruer le libre passage des fuites. Cependant l’expérience a montré que des roches décomposées peuvent être utilisées si un zonage approprié est considéré, même s’il doit inclure un certain type de drain cheminée, comme il a été prévu pour le barrage de Salvajina en Colombie. Il y a des exemples réussis de BEMB dans lesquels les roches

décomposées ont été utilisées et de tels exemples doivent être examinés si un site particulier présente des caractéristiques similaires. Il existe des cas qui montrent que la désintégration des roches par altération est limitée au matériau placé près des surfaces externes des remblais. Bien que de grandes différentiations pour les matériaux dans le zonage des barrages en remblai puissent augmenter les coûts de construction, des comparaisons économiques de variantes de zonage devraient considérer de telles solutions. Il y a aussi quelques exemples de barrages à masque en béton construits avec succès sur des alluvions, mais pour ce dernier matériau, qui peut être partiellement étanche et érodable, de coûteuses zones de drainage et de filtre sont nécessaires et on doit prendre en compte leur coût dans toute comparaison. Pour les barrages en enrochement à noyau en terre (BENT) les considérations sur le zonage sont essentiellement similaires du point de vue du concept. Cependant, en terme de coûts, le facteur principal n’est probablement pas le zonage du barrage (en supposant bien sûr que l’origine et le transport des variantes de matériaux sont comparables), mais finalement le manque de souplesse de construction associé au fait que la terre pour noyau nécessite généralement un temps sec et de l’eau non gelée pour sa mise en place. On doit noter que la progression des recharges dépend de l’avancement du noyau. Pour surmonter cela, des noyaux inclinés permettent d’avoir une relative indépendance dans la construction de la recharge aval, mais ceci implique des volumes plus grands d’enrochement. De nouveau, une formulation et comparaison attentives des variantes, et une étroite coopération avec l’entrepreneur est de la plus grande importance pour définir la solution optimale. Dans le cas des BEMB et BENT de grande hauteur, disons de 180 m à plus de 200 m, et construits dans des gorges étroites, les aspects d’ingénierie et d’économie doivent bien prendre en compte les spécificités de chaque cas. De très récents exemples de très hauts BEMB construits dans des sites étroits (A/H2 < 3; où A = surface du masque amont et H = hauteur du barrage) ont présenté des déformations en crête, et parfois de grandes fissures dans le masque en béton et la plinthe, qui n’ont pas été observées sur des barrages plus petits. Pour ces cas particuliers, il est nécessaire d’entreprendre des études complètes pour déterminer les pentes des parements du barrage suivant le comportement à long terme des enrochements et la déformation associée du masque en béton. Ceci est évidemment étudié et analysé à présent et aura certainement une influence sur les considérations de coût associées au projet et à la construction de tels barrages. Des exemples de très hauts BENT (plus de 250 m) construits avec succès dans des gorges étroites existent, indiquant que les problèmes d’ingénierie associés à de telles solutions sont connus et sont normalement bien pris en compte dans ces projets. Comme il est largement connu, il y a une richesse d’informations et d’expériences qui peuvent être utilisées pour optimiser les nouveaux projets. Pour les très hauts BENT, probablement plus que pour les BEMB, la vitesse de construction doit surmonter les limitations saisonnières sur le programme de construction, qui résultent des spécifications sur la mise en place du noyau. Ceci exige un programme de construction très soigné et un strict contrôle sur le site. Des solutions très créatives ont été utilisées en différents endroits, spécialement pour concevoir les routes d’accès pour atteindre les différents niveaux du remblai. Dans beaucoup de cas, des tunnels d’accès courbes plutôt coûteux ont été construits pour atteindre les niveaux supérieurs et augmenter la vitesse de construction. Ces solutions sont généralement soit l’option la plus économique ou, dans certains cas, la seule option pratique pour faire le travail. Comme pour les barrages en BCR, le transport par bande transporteuse des matériaux du noyau et des transitions est souvent une

solution efficace quand il est nécessaire de mettre en place de gros volumes de matériaux dans un court délai et dans une vallée étroite. Pour les BEMB, le masque et la plinthe sont aussi des composants de l’ouvrage pour lesquels des solutions économiques sont recherchés. Les solutions dans ce domaine tendent à se concentrer sur le gain de temps plutôt que sur le gain de volume de béton. La solution normale pour construire le masque est d’utiliser des coffrages glissants avec des panneaux de 15 à 18 m de large. Si le barrage n’est pas très haut (disons jusqu’à 100 m), de tels panneaux peuvent être construits sans interruption horizontale. Cependant ceci demande clairement l’achèvement du barrage avant le début de la construction du masque, empêchant donc le remplissage partiel de la retenue. Dans beaucoup de cas, spécialement pour des retenues de grand volume, le remplissage partiel du lac est effectué pour permettre d’exploiter et de tirer en avance des bénéfices du projet. C’est une pratique courante d’utiliser des armatures pré-assemblées pour les dalles et des coffrages préformés pour la plinthe. C’est aussi une pratique courante d’utiliser la méthode des éléments extrudés pour produire économiquement une surface support pour le masque. En utilisant cette méthode, un élément en béton maigre est produit en parement amont après chaque couche et ensuite chaque nouvelle couche est compactée contre cet élément. De la littérature, pour décrire ces pratiques, est disponible et devrait être revue pour de nouveaux projets. Différentes méthodes pour produire les joints du masque utilisés aussi bien pour les joints verticaux que le joint périmétral sensible entre le masque et la plinthe. Il y a aussi différents avis sur l’efficacité de chaque méthode pour différentes situations spécifiques. Ceci ne sera pas discuté ici mais le projeteur devrait revoir et être conscient des expériences existantes et évaluer la meilleure solution technique. Cependant, les joints de construction, spécialement le joint périmétral, demandent une main d’œuvre mi-spécialisée qui prendra normalement du temps et pourra exercer une pression sur le programme de construction. Il y a parfois des pressions pour accélérer de façon préjudiciable cette très importante partie de la construction du barrage. Bien que des améliorations aient été faites en termes de machine formant le joint étanche en cuivre entre les dalles du masque, les actions nécessaires pour placer correctement le matériau du joint et les composants doivent être effectuées avec soin et sous un strict contrôle de qualité. Une variante économique pour un revêtement du parement amont pourrait être une géo-membrane solide posée sur les éléments en béton maigre extrudé. Barrage en enrochement à noyau bitumineux

Un autre type de barrage en enrochement qui devient largement utilisé est le barrage en enrochement à noyau bitumineux (BENB). Ce type de barrage dont la construction a débuté en Allemagne au début des années 60, s’est poursuivi en Norvège avec plusieurs de ces ouvrages. Il y a eu aussi des recherches et essais complets sur les propriétés des matériaux, les méthodes de construction et le comportement de ces barrages. La littérature technique concernant ce type de barrage peut être trouvée dans le Bulletin 42 (1982) et 84 (1992) de la CIGB aussi bien que dans différents articles et livres. Le BENB est essentiellement formé par un barrage en enrochement avec un mince noyau central en béton bitumineux compacté, généralement vertical ou légèrement incliné. Le noyau est flanqué de chaque côté par des zones de transition en roches concassées ou en graviers avec granulométrie spécifiée et une

dimension maximale des éléments. La largeur du noyau est généralement de l’ordre du mètre, mais ne doit pas être inférieure à 0,5 m. Des considérations de conception associent la largeur du noyau avec une certaine valeur de la perte de charge à travers le noyau, mais des considérations de construction importantes doivent être aussi prises en compte dans les décisions concernant le projet. Le noyau bitumineux est construit au sommet d’une plinthe en béton de ciment, normalement beaucoup plus large que le noyau, et dont la largeur peut être réduite du fond de la vallée en remontant le long des appuis. Les BENB, bien construits suivant les règles de l’art actuelles, auront des performances et une sécurité de comportement équivalentes à celles de tous les autres types de barrages en enrochement. Par conséquent, quand on compare des variantes de types de barrages en enrochement, les considérations économiques devraient être le facteur prépondérant. Il est clair que, s’il n’y a pas de sols et d’argile à proximité immédiate du site qui conviennent pour un noyau en argile, alors les BENB peuvent être avantageux comparés aux BENT. Ils sont aussi particulièrement avantageux sous les climats où de longues périodes pluvieuses ou de longues périodes froides empêcheraient les activités de compactage. Un aspect relatif, aussi bien aux BENT qu’aux BENB, est la nécessité de synchroniser le traitement de la fondation sous la plinthe du noyau central et la construction des recharges du barrage. Dans certains cas, cela peut créer des contraintes sur le programme des travaux et sur les coûts. Batardeaux

Un avantage des BENT et BENB, par comparaison avec les BEMB, est la possibilité d’inclure le batardeau amont dans le corps du barrage principal : ceci peut conduire à une économie significative. 3.2 Barrages de faible hauteur Il y a au monde 3 000 barrages de plus de 60 m de hauteur et 100 sont construits en plus chaque année, principalement en enrochement ou en BCR. La plupart d’entre eux sont vannés et fondés au rocher ; leur coût est souvent supérieur à 100 millions d’USD. Les chapitres précédents ont analysé les occasions d’économie pour ces barrages de grande hauteur. Les données et occasions d’économie sont très différentes pour la plupart des barrages inférieurs à 30 m de hauteur qui sont en général des barrages en terre non vannés. De par le monde, il y a quelques 100 000 barrages entre 10 et 30 m de hauteur (moins de la moitié de ces barrages sont classés comme «grands barrages ») et le présent taux annuel de construction est de l’ordre de 1 000. Certains sont sur de grandes rivières et/ou retiennent plus de 100 hm3.Mais la grande majorité est construite dans des bassins versants de moins de 100 km2 avec un débit moyen en dessous de 1 m3/s. Leur but principal est le stockage d’eau pour l’irrigation avec des retenues comprises entre 0,5 et 20 hm3. Beaucoup ne sont pas fondés au rocher. Leur coût moyen est de l’ordre de 1 million d’USD, dont une grande part consacrée à l’évacuateur de crue qui est en général non vanné. Des commentaires spécifiques seront faits dans un bulletin complémentaire pour les barrages de faible hauteur construits sur de grandes rivières et les commentaires ci-dessous se réfèrent principalement aux petits barrages situés dans des bassins versants inférieurs à 100 km2.

Quelques suggestions spécifiques d’économie pour les barrages de grande ou de faible hauteur peuvent aussi s’appliquer, en certains aspects, aux barrages compris entre 30 et 60 m de hauteur.

3.2.1 Nouveaux barrages en terre de faible hauteur Quelques 90 % des barrages de hauteur inférieure à 30 m, construits sur des rivières petites ou moyennes, sont des ouvrages en terre. La plupart de ceux qui existent ont été construits en Amérique du Nord avant 1920 et en Asie entre 1960 et 1980, et l’ont été sans matériel lourd. Le compactage a été limité et les crues souvent sous-estimées. Environ 3 % de ces barrages se sont rompus, 1 % par érosion interne et 2 % par débordement lors de crues. Le taux de rupture annuel a été bien au-dessus de 1 pour 1 000. En fait, tous les barrages sont maintenant construits avec du matériel lourd, avec un meilleur compactage et de meilleures connaissances techniques. Le risque de rupture a été beaucoup réduit mais demeure significatif pour les plus petits barrages. L’érosion interne se produit particulièrement pour les barrages longs ou pour des défauts autour des conduites enterrées. Comme les conséquences des ruptures sont plus faibles que pour les barrages de grande hauteur, un risque de rupture due à des crues très exceptionnelles est d’habitude accepté, mais le réchauffement climatique et l’augmentation des populations à l’aval peuvent justifier à l’avenir l’augmentation de capacité de leur évacuateur de crue. Evacuateurs de crue

Comme la plupart des futurs barrages seront construits dans des pays avec 6 ou 8 mois de saison sèche, le barrage, ou du moins sa partie dans le lit de la rivière, peut être construit avec un faible coût pour les batardeaux et les ouvrages de dérivation. Mais si le bassin versant associé est soumis à des pluies intenses durant quelques mois dans l’année, même pour des petits bassins, des crues significatives peuvent se développer et l’évacuateur de crue peut par conséquent devenir une part majeure de l’investissement. Non seulement l’évacuateur est lui-même coûteux, mais si une lame déversante de 2 m est nécessaire sur un seuil fixe, ceci peut représenter une perte de stockage de 30 % pour un barrage de 20 m de hauteur. Ceci représente donc aussi une occasion importante d’économie. Pour de tels bassins versants, le débit des crues extrêmes est essentiellement lié à la surface du bassin versant S et au climat régional. Les valeurs maximales enregistrées dans le monde pour ces crues extrêmes ont été de :

Surface du bassin versant S (km2) 1 10 100Crue maximale enregistrée dans le monde (m3/s) 100 700 4 000 Crue extrême par km2 de bassin versant (m3/s) 100 70 40

Pour beaucoup de futurs barrages, spécialement en Asie, la Crue Maximale Probable, CMP, peut être de l’ordre de la moitié des valeurs ci-dessus et le débit à évacuer avant rupture de l’ordre de 20 m3/s par km2 ou plus, soit 1 000 fois le débit moyen. La rupture par submersion se produit généralement pour des lames déversantes de 0,50 m au- dessus de la crête d’un barrage formé de matériau cohérent tel que l’argile mais se produira pour des lames déversantes plus faibles pour des crêtes en gravier non cohérent.

Le risque de rupture par submersion est donc faible pour des barrages en matériau cohérent dans des bassins versants de quelques km2 mais pour la plupart des futurs barrages dans des bassins versants entre 5 et 100 km2, les débits à évacuer avant submersion seront entre 200 et 2 000 m3/s. Comme la différence de niveau entre le seuil de l’évacuateur et la crête du barrage est généralement de 2 m (pour un débit par mètre d’environ 5 m3/s) et de 5 m (pour un débit par mètre de 20 m3/s), une longueur d’évacuateur comprise entre 50 et 100 m peut être nécessaire dans les projets traditionnels. Il est possible de construire un tel évacuateur de façon plus économique en aménageant la crête en forme de labyrinthe classique. Un facteur de multiplication effectif de 3 est facilement obtenu, pour la même hauteur de lame déversante, quand on utilise un évacuateur en forme de labyrinthe à la place du profil Creager traditionnel. Plus de 100 évacuateurs en forme de labyrinthe existent dans le monde et de nouvelles formes peuvent être construites sur les seuils des barrages-poids traditionnels pour réduire les coûts. Des détails sur ce sujet sont donnés dans l’annexe 2. De tels labyrinthes sont relativement faciles à construire et nécessitent typiquement environ 0,2 m3 de béton armé par m3/s de débit de l’évacuateur. L’augmentation de coût est bien moindre que l’économie obtenue avec le raccourcissement de l’évacuateur, spécialement dans les pays à faible coût de main d’œuvre. Il est aussi possible d’utiliser cette solution pour augmenter le stockage ou réduire la hauteur du barrage. Il est aussi possible d’augmenter la capacité de l’évacuateur et, en même temps, celle de la retenue en utilisant de simples blocs fusibles en béton (voir annexe 3). Le coût est négligeable pour de nouveaux barrages et ces blocs sont prévus pour basculer pour des crues de probabilité, disons de 1/100 à 1/1 000. Des systèmes fusibles plus coûteux (vannes fusibles) ont une forme de labyrinthe et peuvent être économiques pour les grands débits. Il est aussi possible, associé ou non aux solutions ci-dessus, d’effectuer des améliorations peu coûteuses de la crête des barrages en remblai pour augmenter effectivement la capacité de l’évacuateur. Les crêtes des barrages en remblai peuvent souvent être surélevées d’une petite quantité, disons entre 0,5 m et 1 m, en raidissant la partie supérieure du remblai. Ceci permet d’augmenter l’épaisseur des lames déversantes, et donc les débits sur l’évacuateur, tout en conservant la même revanche par rapport à la crête. L’utilisation de parapet de protection contre les vagues peut se faire de la même façon. Il est possible de concentrer ces améliorations principalement sur la partie centrale et la plus haute du remblai parce qu’une rupture sur la partie du barrage qui n’a que 5 ou 10 m de hauteur est moins dangereuse.

Ouvrages de fond

Les évacuateurs de crue des petits barrages sont d’habitude des évacuateurs de surface non vannés associés à une vanne de fond souvent utilisée comme prise d’eau et/ou pour la vidange de la retenue en cas d’urgence. Il peut être économique, pour beaucoup de futurs barrages, d’augmenter la capacité de ces ouvrages de fond pour les raisons discutées ci-dessous. Pour beaucoup de futurs réservoirs stockant une petite partie des apports annuels, l’envasement de la retenue peut apparaître juste au bout de quelques douzaines d’années. La durée de vie des réservoirs peut être multipliée par 2 ou 3 en gardant le réservoir vide durant

la première partie de la saison des pluies et en évacuant ainsi la plupart des sédiments. Ceci est souvent utilisé en Chine et aucun opérateur n’est nécessaire en permanence. Pour de petits barrages avec un volume significatif du réservoir et des évacuateurs non vannés et pouvant stocker la plus grande partie des apports annuels, il devrait être possible d’utiliser le réservoir pour laminer les crues de probabilité entre 1/10 et 1/200, pourvu que les ouvrages de fond soient suffisamment importants. Un tel ouvrage pourrait être utilisé pour augmenter les débits sortants au commencement de la crue et laminer ainsi cette dernière de 20 à 30 %. La capacité de ces ouvrages de fond devrait être de 10 à 20 % de la capacité totale d’évacuation des crues. Les opérateurs ne seraient nécessaires que quelques jours par an selon les prévisions météorologiques. Toute absence involontaire ou fausse manœuvre des opérateurs aurait un impact limité. Corps du barrage

Les remblais du corps du barrage nécessitent en général des dizaines ou des centaines de milliers de mètres-cubes de terre. Des économies de coût peuvent être réalisées sur les prix unitaires de ces matériaux plutôt que sur les quantités. Il y a beaucoup de moyens pour les obtenir, tels que : - Simplifier les profils et mieux choisir les matériaux et les zones d’emprunt. - Améliorer les possibilités d’accès. - Bien adapter les spécifications et le contrôle qualité. - Optimiser le programme des travaux. Autant que possible, le corps du barrage devrait être construit pendant une saison sèche avec une cadence uniforme des mouvements de terres. - Travailler avec les entrepreneurs pour être sûr d’avoir les variantes les moins chères. Conception générale

L’influence de la conception générale sur le programme des travaux, et donc sur les prix unitaires, peut être importante. Par exemple : - Pour des fondations rocheuses et des évacuateurs de crue de grande capacité, des ouvrages tels que les tulipes et les ouvrages aval associés peuvent être construits et terminés avant tous les travaux de terrassement important. Ceci simplifiera grandement les terrassements suivants et minimisera les coûts. - Il est possible d’améliorer l’ensemble du projet des ouvrages et de minimiser les coûts correspondants de l’évacuateur de crue en adoptant des évacuateurs du type labyrinthe. - En l’absence de fondations rocheuses, il y a maintenant une utilisation croissante d’évacuateurs de crue en béton posés directement sur les remblais. Ceci est surtout efficace d’un point de vue économique lorsqu’une saison sèche est suffisamment longue pour permettre toute la construction. 3.2.2. Nouveaux barrages-poids de faible hauteur Beaucoup de barrages-poids existants sont en maçonnerie. Leur pourcentage de rupture est voisin de 2 %, à cause de la faible résistance à la traction, des fuites, de la faible densité due à une main d’œuvre peu qualifiée ou au vieillissement. La construction de barrages en

maçonnerie demande beaucoup de main d’œuvre et ainsi il est improbable que des barrages de ce type soient construits dans le futur. Les commentaires ci-dessous n’ont donc pas l’intention de se référer à des barrages en maçonnerie. - Les barrages-poids en béton sont beaucoup plus sûrs que les barrages en maçonnerie, avec des taux de rupture de l’ordre de 0,2 %, sur la base de statistique portant sur 3 000 barrages de ce type. Les ruptures ne sont pas dues à la qualité insuffisante du béton et elles ne se sont pas produites dans le corps du barrage. Les principales raisons des accidents sur de petits barrages en béton sont soit des fuites importantes sous le barrage dans des zones de fondation meuble, soit par glissement au niveau des fondations lors des crues. - Des barrages-poids en béton ont été utilisés de façon extensive pour des évacuateurs de crue et des prises d’eau mais leur utilisation comme barrage principal a décliné, comparé aux barrages en terre, pour les raisons qui ont été discutées ailleurs dans ce bulletin. Cependant, ils pourraient être plus favorisés dans le futur pour plusieurs raisons :

- La construction à la main des petits barrages en terre, qui prédominait en Asie, a sensiblement diminué à cause de l’augmentation du coût de main d’œuvre.

- Les réévaluations et augmentations des capacités de déversement nécessaires favorisent les barrages en béton.

- Les coûts élevés du fuel ont moins d’influence sur les barrages en béton que sur les barrages en remblai.

- Les critères de projet et les spécifications pour les barrages en béton sont souvent trop prudents, spécialement dans le cas des petits barrages. Des économies significatives peuvent être réalisées si de telles spécifications sont rationalisées et mises à jour.

- Des barrages-poids peuvent être construits avec succès avec des matériaux tels que le «remblai dur» et le CSG, plutôt que le BCV ou le BCR plus coûteux.

Il y a donc beaucoup d’occasions d’économie pour les petits barrages en béton. Evacuateur de crue et ouvrages de fond

Beaucoup de commentaires et solutions suggérées pour les barrages en terre peuvent s’appliquer aussi aux barrages-poids en béton. La réduction de longueur de l’évacuateur peut ne pas être nécessaire mais les déversoirs labyrinthes peuvent être utiles pour réduire la hauteur de la lame déversante, ce qui permet d’augmenter le stockage ou de réduire la hauteur du barrage et son coût. Ces déversoirs labyrinthes peuvent être associés à un évacuateur en marches d’escalier, ce qui permet de réduire ou d’éviter les protections à l’aval. De plus grands organes de fond et des galeries appropriées peuvent aussi être facilement placés dans les barrages en béton. Analyse critique des projets et de l’utilisation des matériaux

La plupart des barrages-poids en béton, y compris les petits, ont été projetés avec une forme traditionnelle, avec souvent un parement amont vertical, du béton homogène et des fondations sur du rocher de bonne qualité. Des spécifications concernant la qualité du béton étaient souvent coûteuses, spécialement pour éviter toute fuite à travers le corps du barrage. Le risque

de glissement en cas de crues exceptionnelles était souvent négligé pour les barrages de faible hauteur pour lesquels une augmentation du niveau du réservoir (et du niveau aval) de quelques mètres a une beaucoup plus grande influence sur la sécurité que pour les barrages de grande hauteur. Beaucoup d’autres solutions peuvent être plus attractives selon les conditions locales de fondation et les matériaux disponibles. Le parement amont vertical peut ne pas être la meilleure solution (voir le Bulletin 109 de la CIGB, annexe 2). Il peut être plus sûr et moins coûteux d’utiliser de plus grandes quantités d’un béton de qualité inférieure pour réduire le coût global du projet. Avec un parement amont incliné, la charge verticale de l’eau augmente de manière significative la stabilité au glissement. Un profil symétrique, avec des parements amont et aval inclinés, diminue les contraintes en fondation et réduit ainsi le besoin d’avoir de très bonnes fondations. Il peut être aussi efficace, au lieu d’avoir un corps de barrage homogène, d’utiliser du béton bon marché fabriqué avec du tout venant provenant directement des excavations dans le lit de la rivière et de réaliser l’étanchéité du parement amont grâce à une membrane étanche ou à un revêtement. Pour de petits barrages en BCR, il peut être plus avantageux, en coût et en délai de construction, de supprimer les galeries de drainage et d’accès au pied amont de l’ouvrage en épaississant son profil pour qu’il reste stable même avec la sous pression maximale en fondation.

3.2.3. Association du BCR avec du remblai Le BCR a été utilisé principalement pour des barrages de hauteur supérieure à 30 m où la largeur du profil favorise les accès, la circulation et le travail des engins lourds. Comme la technique et le matériel nécessaires pour le BCR sont essentiellement les mêmes que ceux pour les travaux de terrassement, il est raisonnablement possible de projeter des solutions de barrages mixtes, bon marché, en faisant l’usage le plus efficace des deux types de matériaux. Deux exemples sont représentés ci-dessous. Dans les deux cas, la durée réelle de construction impliquée peut n’être que de quelques mois. Le premier profil peut être spécialement attractif s’il y a une possibilité de fondation au rocher et s’il est difficile de trouver de la terre étanche comme remblai. Dans ce cas, le remblai ne servirait que par son poids et le coût serait très bas. Il serait placé sur le sol naturel et comprendrait les matériaux extraits des fouilles sous le BCR. Si des zones filtrantes sont nécessaires de part et d’autre du BCR, il serait possible d’utiliser les mêmes matériaux que les agrégats pour le BCR. Dans la construction montrée, on suppose que le BCR serait mis en place en même temps que le remblai. Les coûts unitaires du BCR sont beaucoup plus bas que pour le BCV et l’usage d’un noyau en BCR facilitera grandement la transition avec les profils en béton de l’évacuateur de crue ou de la prise d’eau. La solution est aussi favorable du point de vue de l’environnement car les matériaux des remblais pourront être extraits de l’emprise du réservoir et le parement aval recevoir un aménagement paysager avec un engazonnement, des buissons et des arbres. Peu ou pas de protections contre les vagues seront nécessaires à l’amont.

La solution montrée peut ne pas être particulièrement séduisante dans les zones sismiques, néanmoins le concept peut être facilement adapté pour fournir des projets acceptables vis-à-vis des séismes. La solution 2 a été utilisée pour augmenter la sécurité d’à peu près 100 barrages de faible hauteur aux Etats-Unis. Elle pourrait être utilisée pour de nouveaux barrages de moins de 15 m de hauteur, pour éviter d’avoir des évacuateurs de crue séparés.

3.2.4. Barrages-voûtes de faible hauteur La Chine a construit de très nombreux petits barrages-voûtes de moins de 30 m de hauteur en maçonnerie et peu coûteux. La forme était généralement simple avec des parements verticaux. Il y a eu quelques problèmes de fuite et de vieillissement dus à la qualité de la maçonnerie. Dans des vallées étroites favorables avec du rocher sain, ces formes simples arquées utilisant du béton pourraient être aussi économiques. 3. 3 Utilisation des éléments préfabriqués en béton Comme indiqué par M.Kusumi et P.Mason, les bénéfices dans l’utilisation des éléments préfabriqués sont :

- réduction des travaux sur chantier et par conséquent des délais d’exécution, - contrôle de qualité plus facile des éléments fabriqués en usine, - facilité d’exécution des travaux et sécurité améliorée en l’absence des travaux compliqués dans des espaces exigus, - réduction des incidences sur l’environnement du fait que les bois pour des coffrages spéciaux ne sont plus nécessaires.

Au point de vue économique, le réemploi plus fréquent des moules est plus avantageux, quelles que soient les conditions du site. Il faut donc rechercher autant que possible l’uniformisation des coupes transversales et des formes pour réduire le coût de préfabrication.

La réduction des coûts indirects résultant de la diminution de la durée d’exécution est plus importante que la réduction des coûts directs. Sur le plan technique, il est important que les fissures éventuellement développées dans le barrage en béton soient visuellement observables à partir des galeries de visite. La liaison entre les éléments préfabriqués et le béton du barrage doit donc être parfaite, de sorte à assurer la continuité, entre ces deux bétons, du comportement face aux fissurations. A cet effet, il faut effectuer le décapage à haute pression pour rendre les surfaces de contact rugueuses ou le remplissage des vides sous les dalles du radier avec du béton plastique. Dans les barrages en remblai, comme dans le cas des barrages en béton, l’exécution des galeries de visite est une entrave à l’avancement des travaux. Dans ce type de barrage, la charge appliquée sur les galeries de visite étant importante, celles-ci ont inévitablement une importante coupe transversale. L’emploi d’éléments préfabriqués était donc considéré comme difficile. Les années récentes ont vu cependant l’utilisation du coffrage perdu préfabriqué en béton à la place du coffrage glissant en cintre en vue de réduire les délais d’exécution. En effet, la réalisation plus rapide des galeries de visite, en particulier dans le lit du cours d’eau, permet de commencer plus tôt la mise en place du noyau. Comme dans le cas des barrages en béton, la liaison parfaite entre les éléments préfabriqués et le béton de structure étant importante, les surfaces de contact sont rendues rugueuses ou d’autres mesures sont à adopter. Avec les exemples toujours plus nombreux de leur emploi dans la réalisation des galeries de visite, les éléments préfabriqués connaissent un développement de leur application à d’autres ouvrages continus ayant une coupe transversale constante, tels que cage d’ascenseur, encorbellements en crête des parements amont et aval et parties en porte-à-faux des ouvrages de prise et de vidange. Les éléments préfabriqués, lorsqu’ils sont utilisés dans la réalisation des parties en porte-à-faux, permettent de réduire des travaux compliqués et dangereux, tels que la mise en place des consoles encastrées et le dressage des échafaudages, et contribuent ainsi à une meilleure sécurité. Ils apportent par ailleurs une finition homogène et des résultats esthétiques satisfaisants. L’utilisation d’éléments préfabriqués peut être finalement le choix de l’entrepreneur, mais cette utilisation doit être prise en compte dans le projet des ouvrages définitifs. Le projet modifié présenté par l’entrepreneur devra donc être vérifié par le projeteur. En général, il est préférable d’avoir étudié au stade initial des ouvrages qui seront proches de leur conception finale. L’utilisation d’éléments préfabriqués a le plus d’intérêt dans les situations suivantes :

- où ils peuvent accélérer la construction, - où ils peuvent remplacer des variantes plus coûteuses pour les travaux provisoires, - où ils améliorent l’aspect architectural.

L’ingénieur expérimenté devrait être capable de juger l’ensemble de ces trois situations et réaliser le projet en conséquence. 3.4. Evacuateurs de crue Ce chapitre se réfère aux barrages de grande et de faible hauteurs. Pour plusieurs raisons le projet des évacuateurs représente une bonne occasion pour faire des économies. Les évacuateurs ne représentent pas seulement une part significative des coûts directs, en vertu de leur projet et peut être par leur impact sur l’ensemble du projet, mais aussi par le coût potentiel de perte de stockage dans le cas des évacuateurs non vannés. Au cours de ces 50 dernières années, la tolérance pour le risque de rupture de barrage a diminué alors que les valeurs estimées des crues extrêmes ont augmenté. Beaucoup de futurs barrages seront

construits en Asie et donc près des mers chaudes, avec un potentiel de grosses crues et apports par km² de bassin versant. Le réchauffement climatique peut aussi augmenter les crues à l’avenir. Les capacités nécessaires pour les futurs évacuateurs seront probablement supérieures à celles du passé, à bassins versants égaux. La CIGB a consacré beaucoup d’études à ce problème, et spécialement : - La Question 79 du Congrès de 2000. - Une partie de la Question 84 du Congrès de 2006, et spécialement le Rapport Général

(pages 1566 à 1579). - Les bulletins de la CIGB 82, 108, 109 et 125. Les occasions d’économie peuvent s’appuyer sur de nombreuses solutions techniques nouvellement développées dans le monde et présentées ci-dessous. Des commentaires préliminaires sur les spécifications concernant les évacuateurs de crue, sur les critères de projet, sur les ruptures passées et sur l’évaluation des crues semblent utiles pour une meilleure évaluation de ces solutions. 3.4.1. Spécifications concernant les évacuateurs Beaucoup de projets d’évacuateur, dans le passé et même maintenant, sont basés sur des méthodes normalisées. Ceci peut impliquer l’évaluation de la « crue de projet » d’une probabilité annuelle donnée. Celle ci est souvent choisie selon des règlements ou la tradition, comme la crue millénale, avec la nécessité de pouvoir la passer sans dommage en utilisant un évacuateur totalement vanné ou totalement sans vanne. Durant cette crue, le niveau du réservoir est souvent maintenu en dessous de la crête du barrage avec une revanche significative. Cette approche peut être revue en considérant au moins trois autres facteurs : - Le risque de rupture par des crues encore plus exceptionnelles. - Le risque de blocage des vannes et spécialement le blocage de toutes les vannes. Ceci est la

cause de plus de 20 % de ruptures dues aux crues pour les barrages vannés. - Le risque de rupture des barrages amont, y compris des barrages naturels comme les

barrières de glace ou ceux dus à des glissements de terrain provoqués par un séisme. Par ailleurs, les dispositifs d’évacuateur prévus essentiellement pour la sécurité du barrage pourraient être souvent utilisés aussi pour améliorer la gestion des sédiments et l’écrêtement des crues à l’aval. 3.4.2. Critères de projets et méthodes Les critères de projet basés sur la crue de projet et des revanches significatives ont deux inconvénients : - La véritable probabilité de rupture est inconnue. Elle peut être plus grande pour un grand

barrage vanné ou avec un évacuateur en tulipe que pour un petit barrage non vanné. La vraie marge de sécurité est basée sur la revanche, c’est-à-dire sur la vitesse locale du vent parce que la revanche est calculée suivant la hauteur des vagues produites par ce vent. L’incertitude sur le risque réel est augmentée par l’incertitude non négligeable dans l’évaluation des crues millénales.

- Cette approche traditionnelle peut restreindre ou empêcher l’utilisation de variantes économiques pour augmenter les capacités d’évacuation pour les crues extrêmes. Cet inconvénient est souvent négligé parce que les critères arbitraires utilisés se concentrent uniquement sur les spécifications de performance et non sur le coût d’ensemble.

Une approche défendue par la CIGB depuis 15 ans, spécialement dans les Bulletins 82, 108, 125 et 130, suggère l’usage d’une «crue de vérification» ou «crue de sécurité» de beaucoup plus faible probabilité. Cette dernière crue nécessiterait une marge de sécurité réduite et se traduirait par un niveau plus élevé pour le réservoir, probablement voisin de celui qui provoquerait la rupture du barrage. Des dommages limités pourraient être acceptés pour cette crue de vérification. Le terme «Crue de projet» est inadapté parce que la crue la plus importante qui commande la disposition finale du projet est bien la «Crue de vérification» et non celle qu’on appelle «Crue de projet». 3.4.3. Ruptures des barrages par les crues Pour évaluer le niveau acceptable de la retenue pour la crue de vérification, il est utile de revoir les conditions des ruptures passées. Elles sont très différentes pour les barrages en remblai, les barrages en béton et les barrages en maçonnerie : - Plus de 2 % de tous les barrages en remblai construits avant 1930 et les barrages en remblai construits en Asie entre 1950 et 1980 se sont rompus à cause des crues (réf. Bulletin 109 de la CIGB, p.27 et annexe 1), soit un pourcentage annuel supérieur à 1 pour 1 000. Tous ces barrages ont été construits sans matériel lourd de construction et souvent avec des remblais peu compactés. Les pourcentages de rupture par les crues depuis 1980 sont plus faibles, de l’ordre de 1 pour 10 000 pour les très grands barrages mais encore de 1 pour 1 000 pour les plus petits. Les pertes humaines, qui ont été nombreuses lors des ruptures passées, sont à présent en baisse grâce aux prévisions météorologiques et à l’amélioration des télécommunications. Les ruptures de barrage en remblai liées aux crues sont généralement dues au débordement de plus de 1 m de hauteur sur leur crête pour les barrages en enrochement, de 0,5 m sur ceux en argile bien compactée et pour des valeurs beaucoup plus faibles quand des graviers de faible dimension sont concernés. Des ravinements typiques sont formés à l’aval sur le parement ou au pied et remonte progressivement vers la crête du barrage. La brèche qui en résulte s’ouvre rapidement avec localement des débits (en m3/s) jusqu’à H2,5 où H est la hauteur du barrage à cet endroit (en m). Cette brèche s’élargit lentement pour les remblais cohérents et rapidement pour les remblais en enrochement et en gravier. Le niveau acceptable pour la crue de vérification peut donc être voisine de celle de la crête pour un barrage en enrochement ou un petit barrage en terre, disons de 0,5 m ou 1 m sous le niveau de la crête pour un barrage dont la crête est construite en matériau cohérent prévu pour résister à quelques débordements par les vagues, et au moins 1 m en dessous de la crête pour les barrages en gravier. - Le débit provenant de la rupture peut être beaucoup plus important que le débit naturel de la crue mais si un barrage en remblai se rompt pour une crue très exceptionnelle, ce débit peut ne pas être très augmenté si le barrage n’est pas très haut à l’endroit où la brèche se forme et aussi si le matériau du barrage est cohérent. - Aucune rupture par des crues n’a été rapportée pour les 2 000 barrages-poids en béton de plus de 20 m de hauteur mais plusieurs ont été rapportés pour des barrages de ce type de 10 à 20 m de hauteur généralement par glissement. Ceci peut s’expliquer par l’impact relatif

beaucoup plus grand, sur la stabilité d’un barrage-poids de faible hauteur, d’une surélévation du niveau de la retenue de quelques mètres et aussi de l’augmentation des sous pressions liées à une montée du niveau aval. Plusieurs barrages en béton de grande hauteur ont résisté en toute sécurité à des débordements non négligeables. Deux petits barrages-voûtes en béton se sont rompus par déversement et affouillement des appuis constitués de rocher de qualité médiocre. - Le pourcentage de rupture liée aux crues pour les barrages-poids en maçonnerie a été au- dessus de 1 %, y compris pour des barrages de 40 m de hauteur. Certains se sont rompus avant débordement, plusieurs ruptures se sont produites dans la maçonnerie même, probablement à cause de sa faible résistance à la traction. - Les ruptures des barrages en béton ou en maçonnerie sont instantanées et ne peuvent être prévues avec précision. La brèche est large, souvent de l’ordre de 5 fois la hauteur du barrage et une rupture de barrage en béton est donc moins probable mais plus dangereuse qu’une rupture de barrage en remblai, pour un même volume de retenue. Le risque pour les barrages en maçonnerie existants peut être élevé. 3.4.4 Evaluation des crues Les méthodes pour l’évaluation des crues peuvent être différentes pour la crue de projet et pour la crue de vérification. Des méthodes probabilistes, basées sur les données concernant les crues et les pluies, sont utilisées pour évaluer la crue de projet. L’incertitude dans de telles évaluations augmente avec la période de retour à évaluer. La crue de vérification devrait être choisie avec une très faible probabilité, telle que 1/100 000 ou peut-être la CMP. Les méthodes d’évaluation probabilistes peuvent aussi être employées mais leur fiabilité pour des crues si exceptionnelles est discutable, spécialement parce que les crues extrêmes peuvent être générées par des évènements climatiques autres que ceux qui provoquent les crues fréquentes. La méthode déterministe de la CMP semble plus fiable mais les résultats peuvent varier significativement selon les experts impliqués dans son évaluation. Il est particulièrement difficile d’évaluer la CMP de grands bassins versants qui contiennent des conditions climatiques variables. Des évaluations approximatives de crues extrêmes peuvent être plus faciles pour des bassins versants en dessous de quelques milliers de km² soumis à de fortes pluies, soit pour la majorité des futurs barrages. Dans ces cas, la crue extrême est en général causée par une pluie de l’ordre de 0,5 m de hauteur sur une courte durée et sur l’ensemble du bassin versant. La durée de la crue extrême varie de 3 à 12 heures selon le bassin versant. Les conditions du sol ont peu d’impact sur le débit maximal qui est essentiellement lié à la surface du bassin versant et au climat régional. Une référence utile (présentée dans le Bulletin 125 de la CIGB, p ) est la courbe des débits extrêmes rapportés dans le monde selon le bassin versant. Ils sont grosso modo :

Surface du bassin versant S (km²) 1 10 100 1 000 10 000 Débit maximal dans le monde q (m3/s) 100 700 4 000 15 000 40 000 Débit spécifique par km2 de bassin versant : qs (m3/s)

100 70 40 15 4

Ceci peut être représenté approximativement par deux formules simplifiées (en m3/s) Pour S < 300 km² : q = (S/300)0,8 x 10 000 Pour S > 300 km² : q = (S/300)0,4 x 10 000 Les débits spécifiques extrêmes qs peuvent donc avoir été souvent sous-estimés dans le passé pour des bassins versants de 100 à 1 000 km². Les débits spécifiques naturels ayant provoqué des ruptures de barrage ont été beaucoup plus faibles que les valeurs enveloppes indiquées ci-dessus, mais ont atteint 90 % de cette référence mondiale pour les barrages de Banquiao et Shimantan (Chine 1975), 70 % pour le barrage de Machu (Inde 1979) et 50 % pour le barrage de Molare (Italie 1935). De tels accidents causent beaucoup de pertes humaines. Une méthode simple supplémentaire d’évaluation de la crue de vérification peut être obtenue à partir du bassin versant et de la pluie maximale régionale rapportée, par comparaison avec la pluie maximale dans le monde. Les pluies maximales dans le monde ont atteint 1,50 m en 24 heures et 1 m en 12 heures. Quelques ajustements limités peuvent être ajoutés pour prendre en compte la forme et les pentes du bassin versant. Une telle évaluation supplémentaire, comme pour d’autres méthodes, est discutable, mais est basée sur des données bien établies et bien connues. Cette évaluation est peu coûteuse et est au moins aussi fiable que les autres pour comparer la sécurité de barrages situés dans la même région climatique. Le volume de ces crues extrêmes dans le monde, pour des bassins versants plutôt petits, correspond à un fort pourcentage de la pluie possible en quelques heures. Le volume par km² est similaire pour de tels bassins versants, et peut être de l’ordre de celui produit par une pluie de 0,50 m de hauteur tombant sur une surface d’un km² de bassin versant. Pour de petits bassins versants, le rapport entre une crue telle que la CMP et une crue de fréquence 10-2 est généralement élevé, peut-être bien au-dessus de 3 ou 4. Ce rapport est généralement plus petit pour de très grands bassins versants parce que les évènements extrêmes tendent à se produire seulement sur une partie de ces bassins. L’incertitude augmentera avec les changements climatiques. 3.4.5. Solutions peu coûteuses pour la “crue de vérification” Les études ci-dessous considèrent des économies basées sur les approches suggérées ci-dessus.

Le débit de la crue de vérification peut être divisé en deux parties : q1 qui est la crue de projet et q2 qui est la différence entre le débit de la crue de vérification et celui de la crue de projet. La somme (q1 + q2) devrait être aussi grande que possible. Le coût c1 par m3/s pour évacuer q1 est généralement élevé, de façon directe pour les évacuateurs vannés et indirecte pour les seuils fixes à cause de la perte de capacité du réservoir due à la hauteur de la lame déversante de la crue de projet. Une telle perte est souvent de l’ordre de 10 000 m3 par m3/s et cette perte de stockage peut constituer une part significative de la tranche utile. La valeur de c1 est donc considérable, probablement plus de 10 000 USD. Le coût c2 par m3/s pour évacuer q2 peut être beaucoup plus faible parce que q2peut utiliser un niveau de réservoir plus élevé et accepter quelques dommages. Le coût total

(c1 q1 + c2 q2) devrait être aussi bas que possible. S’il est difficile de réduire c1, il existe un moyen de faire des économies : essentiellement en réduisant c2 ou, d’une certaine façon et jusqu’à un certain point, q1 et d’augmenter q2 de la valeur correspondante. Beaucoup de solutions peuvent être utilisées pour évacuer la crue de vérification avec un faible coût et spécialement le débit q2 au-delà de la crue de projet. Certaines de ces solutions ont été négligées dans le passé parce qu’on avait admis que la crue de projet était le critère principal. Les solutions valables peuvent être différentes pour les barrages en remblai ou pour les barrages en béton ou peuvent s’appliquer pour les deux. La plupart des barrages en terre ont des pentes de 1 sur 2 ou 1 sur 2,5, ou même plus douces. Dans beaucoup de cas, cette pente est la même, y compris en partie haute avec la revanche calculée pour les effets possibles des vagues. Il est souvent possible de conserver sans changement la plupart du corps du barrage mais de raidir juste la partie haute, par exemple à 1 sur 1,5, de façon à surélever la crête de 1 à 2 m. Une telle surélévation de 1 m demande environ 20 m3 de remblai par mètre linéaire avec un coût de quelques centaines d’USD. Surélever la lame déversante sur le seuil de 1 m augmente typiquement le débit par mètre linéaire de l’évacuateur de 5 à 10 m3/s. Si la longueur du barrage est 5 à 10 fois celle de l’évacuateur, le coût, pour augmenter le débit de 1 m3/s, est bien en dessous de 1 000 USD, souvent en dessous de 500 USD, même si on tient compte des coûts supplémentaires pour les ouvrages d’évacuation aval et pour l’étanchéité et la protection de la crête contre les vagues. Il est aussi possible d’ajouter un parapet, en béton ou en gabions, de 1 m de hauteur. Il est en général possible de surélever les BEMB jusqu’à 5 m de hauteur au moyen d’ouvrages en béton ou en BCR avec un coût modéré aussi bien pour ces ouvrages que pour ceux nécessités par l’augmentation des débits de l’évacuateur de crue due à la surélévation. Les barrages en remblai de grande longueur comprennent en général une portion significative où la hauteur du barrage est de l’ordre de 5 à 10 m. Il peut s’avérer économiquement avantageux de surélever les plus hauts profils de ce type de barrage de 1 à 2 m en raidissant localement la crête et en conservant les profils les plus bas à leur cote initiale. Toutes brèches qui se produiraient dans ces profils bas auraient moins de conséquences que dans les profils hauts. En fait, il serait possible de projeter spécifiquement ces profils bas avec des digues fusibles en incorporant des dispositifs simples afin de limiter l’extension des érosions en cas de rupture. Des variantes diverses ont été utilisées pour déverser au-dessus des barrages en remblai. Deux solutions peuvent avoir un avenir prometteur, du moins comme évacuateur auxiliaire ou de secours. Outre l’évacuateur vanné pour évacuer la crue de projet, il est économique pour les barrages de 5 à 10 m de hauteur, de caler la crête à 0,5 m au-dessus du niveau normal de la retenue et de revêtir le parement aval par du BCR placé en couches d’environ 3 m de largeur. Pour une lame déversante de 3 m, correspondant à la plupart des revanches de barrage, cela demande environ 5 m3 de BCR par m3/s supplémentaire, avec un coût de l’ordre de 500 USD par m3/s. Des évacuateurs non vannés en béton armé ont été placés sur certains BEMB avec des débits spécifiques de 20 m3/s par mètre linéaire de seuil. Dans certains cas ceci a été la seule disposition adoptée pour l’évacuation des crues. De façon alternative, il serait préférable d’utiliser ces évacuateurs comme évacuateur de secours en complément d’un évacuateur vanné traditionnel posé en rive. Il est aussi possible d’augmenter le débit spécifique de tels

évacuateurs et le volume utile de la retenue par des barrages gonflables, des dispositifs fusibles ou des seuils labyrinthes. Les barrages en remblai de grande hauteur dans des vallées étroites peuvent nécessiter des évacuateurs vannés avec des galeries revêtues et des ouvrages aval coûteux. La capacité de ces évacuateurs coûteux peut être limitée au débit de la crue de projet. Il serait alors possible de faire face à des crues plus exceptionnelles en utilisant des galeries hautes non revêtues opérant avec des vitesses d’eau plus faibles. Les ouvrages de contrôle amont pourraient être des dispositifs fusibles et les ouvrages pour la dissipation de l’énergie à l’aval pourraient être minimisés pourvu que l’affouillement à l’aval ait été bien appréhendé et soit acceptable. Le coût correspondant par m3/s peut être du tiers de celui de l’évacuateur principal. De telles galeries sont en fait semblables aux galeries de dérivation provisoire. Beaucoup de barrages en béton résistent au débordement de crues exceptionnelles, même avec des débits spécifiques élevés. Ceci est acceptable pourvu que l’affouillement aval soit évité ou acceptable et que la stabilité de l’ouvrage, pour la cote la plus haute de la retenue, soit assurée. Les charges supplémentaires correspondantes ne devraient pas cependant être combinées avec le séisme maximal possible. Pour réduire le niveau maximal de la retenue lors des crues se déversant sur la crête du barrage, il est préférable de choisir un parapet amont ajouré à la place d’un parapet plein. Le profil optimal d’un barrage-poids peut ne pas être celui qui est traditionnel mais plutôt avec un parement amont incliné (voir Bulletin 109 de la CIGB, annexe 2). Pour des débordements significatifs un profil symétrique peut être préférable au profil conventionnel avec parement vertical. Pour les barrages-poids, les affouillements par des crues exceptionnelles peuvent être limités en utilisant des protections minimales et peu coûteuses au pied aval. Les parements aval en marches d’escalier sont particulièrement efficaces pour dissiper l’énergie de l’écoulement pour des débits spécifiques d’environ 10 à 15 m3/s par mètre linéaire d’évacuateur, soit pour des crues ordinaires. Il serait possible d’accepter quelques dommages dus à l’érosion à l’aval pourvu que, de nouveau, leur extension et implication soient comprises et acceptables. Pour beaucoup de barrages en remblai ou en béton, des solutions peu coûteuses pour évacuer la crue de projet consisteraient à utiliser divers éléments fusibles. Ces derniers pourraient être utilisés comme évacuateur auxiliaire, la crue de projet pouvant être évacuée par un évacuateur vanné de base ou ils pourraient être débordés par la crue de projet. Ils s’effaceraient partiellement ou en totalité pour les crues exceptionnelles et il faudrait quelques jours, semaines ou mois pour les remplacer avec les coûts ou pertes correspondants, mais avec une probabilité annuelle de l’ordre, disons de 1/100 à 1/1 000. Beaucoup de dispositifs fusibles ont été utilisés pour de petits barrages et aussi pour de grands. Par exemple des digues fusibles ont été utilisées depuis environ 20 ans pour près de 100 grands barrages, principalement en Chine et aux Etats-Unis, généralement pour des débits de quelques milliers de m3/s. Elles se rompent par érosion des matériaux et élargissement de la brèche. Elles nécessitent des conditions topographiques spécifiques et des questions se posent sur les hydrogrammes associés à l’aval et aussi sur leur fiabilité à long terme. Comme elles sont prévues pour des crues très exceptionnelles, il y a très peu d’exemples qu’elles aient fonctionné avec succès.

Une autre solution développée depuis ces 15 dernières années et utilisée dans environ 10 pays est basée sur des éléments poids en béton ou en acier qui basculent en séquence pour différentes valeurs du niveau de la retenue. Dans ces solutions de hausses fusibles, la sous pression est créée sous chaque élément par un niveau précis de la retenue. Cinquante évacuateurs ont utilisé cette solution. De telles hausses fusibles peuvent être prévues pour être débordées par la crue de projet avant leur basculement. Elles peuvent être en forme de labyrinthe en plan pour réduire la hauteur de la lame déversante correspondante avant basculement et donc diminuer la perte de stockage du réservoir. Elles ont été utilisées aussi bien pour de petits que de grands évacuateurs de crue, jusqu’à 40 000 m3/s. La plupart d’entre elles ont déversé ; certains éléments d’une douzaine de ces évacuateurs ont basculé comme il avait été projeté. Deux blocs fusibles plus simples en béton, qui s’effacent par basculement, ont été étudiés et testés sur modèle réduit hydraulique. Dans la première solution, les blocs basculent juste avant ou juste après le débordement et sont prévus sans sous pression. Leur épaisseur est d’environ la moitié de leur hauteur et ils peuvent être utilisés pour remplacer la partie haute des barrages-poids en béton standard. Ceci minimise le coût de ces barrages car cette solution ne demande pas de béton supplémentaire. Dans la seconde solution, les blocs en béton sont débordés par les crues avant basculement. Ils sont prévus avec la pleine sous pression. Leur coût, pour un nouveau seuil fixe, serait bas et ils peuvent être projetés pour la CMP. Cependant, ils n’ont pas la même forme en labyrinthe que les hausses fusibles et les basculements correspondants sont moins précis. Ils peuvent aussi être utilisés pour améliorer les évacuateurs à seuil fixe existant (voir annexe 3). Beaucoup d’autres solutions ont été utilisées, telles que les “flashboards” aux Etats-Unis pour de petits évacuateurs de crue. Ce sont des planches en bois posées contre des tubes en acier verticaux. Leur coût est très faible mais elles sont vulnérables aux dommages causés par les corps flottants ou le vandalisme. 3.4.6. Solutions économiques concernant la crue de projet ou la crue de vérification. Des économies peuvent être obtenues en améliorant les évacuateurs à seuil libre ou avec vannes ou en associant ces deux solutions. D’autres économies s’appliquent aux ouvrages d’évacuation et de sortie. La plupart des grands barrages ont des évacuateurs non vannés (Bulletin 83 de la CIGB, p.33), soit une grande majorité d’évacuateurs pour des crues de projet inférieures à 1 000 m3/s et une part significative pour de plus grands débits. Les évacuateurs à seuil libre concernent en général des bassins versants inférieurs à quelques centaines de km²; le temps pour atteindre la pointe de telles crues est généralement de 3 à 6 heures. Les évacuateurs à seuil fixe sont très sûrs pour gérer ces crues mais ils souffrent de débits spécifiques faibles, s’exprimant en m3/s par mètre de seuil par la formule 2,2 H1,5, où H est la hauteur de lame déversante en mètre. La perte de stockage correspondant à cette lame déversante pour la crue de projet est souvent de 20 to 50 % de la tranche utile pour les barrages d’irrigation. Pour une retenue de surface S (km²), un seuil de longueur L et une hauteur de lame déversante de l’ordre de 2 m, la perte de stockage (en m3) est : 2xSx106 et le débit 2,2xLxH1,5 est voisin de 6 L (en m3/s). La perte de stockage par m3/s est donc de :

2xS x106 ≈ 0,3x106xS6 L L

Par exemple, pour S = 5 km² et L = 100 m (débit voisin de 600 m3/s), la perte de stockage par m3/s est de 15 000 m3.

Cette perte peut être réduite en augmentant la longueur L de l’évacuateur, par exemple avec des évacuateurs latéraux sur une rive ou des évacuateurs en bec de canard. Elle peut aussi être réduite en augmentant le débit déversé pour une même hauteur de lame en utilisant des déversoirs labyrinthes à la place des profils Creager traditionnels. On a utilisé cette solution pour environ 100 barrages dans le monde, généralement avec des murs verticaux en béton armé avec un tracé en plan en forme de labyrinthes trapézoïdaux et souvent placés sur une rive plate. La longueur développée des murs est souvent de l’ordre de 4 fois la longueur de l’évacuateur, la lame déversante d’environ 50 % de la hauteur du mur. Cette solution a principalement été utilisée pour des évacuateurs de quelques centaines de m3/s avec des murs de 3 à 4 m de hauteur, mais parfois pour des débits jusqu’à 15 000 m3/s et des murs jusqu’à 10 m de hauteur. En général le débit de l’évacuateur est environ le double de celui d’un seuil Creager pour la même hauteur de lame déversante. De tels évacuateurs sont faciles à construire et ont fonctionné de façon satisfaisante, certains d’entre eux depuis plus de 50 ans. Toutefois ces projets de labyrinthes traditionnels présentent 3 inconvénients. Les murs verticaux ne sont pas la meilleure forme hydraulique pour des écoulements horizontaux et les performances sont donc diminuées, spécialement pour les forts débits. De plus les quantités nécessaires de béton armé pour augmenter le débit de 1 m3/s est voisin de 2 m3. Mais l’inconvénient le plus important est leur longueur dans le sens de l’écoulement qui peut être d’environ 3 fois la hauteur des murs. Cela empêche leur utilisation en crête des barrages-poids, c’est-à-dire sur la plupart des barrages ou évacuateurs de crue traditionnels. Les performances et le coût de ces évacuateurs en forme de labyrinthe ont été bien améliorés par une analyse de leurs inconvénients et par des essais hydrauliques portant sur différentes formes. Ce travail a consisté à optimiser ces performances hydrauliques en prenant aussi bien en considération les aspects relatifs à leur structure qu’à leur construction. Les options relatives à ces évacuateurs sont présentées plus en détail dans l’annexe 2 de ce bulletin et résumées ci-dessous. De nouveaux seuils labyrinthes utilisant des formes inclinées et des porte-à-faux (y compris ceux appelés «seuil en touche de piano», ou «PK weir» en anglais) et une forme en plan rectangulaire au lieu de la forme trapézoïdale, ont été étudiés récemment dans 5 pays et apparaissent comme très prometteurs. Ils peuvent multiplier par 3 ou 4 le débit spécifique d’un seuil Creager pour une même hauteur de lame déversante. Ils demandent 0,5 à 1 m3 de béton armé par m3/s supplémentaire de débit et ils peuvent être placés sur la plupart des évacuateurs à seuil libre existants ou sur des profils des futurs barrages-poids. Leur capacité peut être facilement vérifiée par de simples essais dans les laboratoires hydrauliques existants. Ils peuvent même être plus avantageux dans les pays avec de faibles coûts de main d’œuvre et donc de faible coût de béton armé (voir annexe 2). Association de deux évacuateurs de crue

Pour la grande majorité des barrages existants, la crue extrême est évacuée soit à travers un évacuateur complètement vanné soit par un évacuateur à seuil libre. L’association de deux

évacuateurs peut souvent être la meilleure solution aussi bien pour la sécurité du barrage que pour une meilleure gestion des crues et de l’envasement. Par exemple, la meilleure solution pour de gros débits, disons au-dessus de 10 000 m3/s, peut être un évacuateur vanné pour la crue de projet et un évacuateur non vanné avec des hausses fusibles ou des seuils labyrinthes pour les débits supérieurs jusqu’à la crue de vérification. Les vannes seront généralement de grandes vannes-segments de surface (avec la possibilité d’avoir des vannes de fond, 20 à 50 m sous le niveau de la retenue pour la chasse des sédiments). L’évacuateur non vanné auxiliaire sera beaucoup moins cher que le coût pour augmenter la capacité de l’évacuateur vanné et fournira une garantie de secours en cas de blocage de vannes. Un grand avantage des évacuateurs avec de grandes vannes est de pouvoir évacuer des débits spécifiques jusqu’à 150 m3/s par m. Des évacuateurs de secours avec hausses fusibles peuvent évacuer jusqu’à 100 m3/s par m et des seuils labyrinthes jusqu’à 50 m3/s par m, en utilisant la hauteur correspondant à la revanche. De plus petits débits peuvent être évacués par des évacuateurs à seuil libre qui peuvent être améliorés par l’utilisation de seuil labyrinthe ou de système fusible. Il peut être aussi parfois utile d’utiliser quelques vannes pour améliorer la gestion des sédiments ou la réduction des crues. Par exemple des barrages d’irrigation avec de gros problèmes de sédimentation stockent en général une partie seulement des apports annuels. Des vannes de fond peuvent être utilisées pour garder la retenue vide durant la première partie de la saison des crues, en évacuant la plupart des sédiments par les pertuis de fond, le stockage de l’eau n’étant accompli que dans la seconde partie de la saison des crues.

Pour les barrages d’irrigation stockant la plupart des apports annuels on peut aussi, en associant un seuil labyrinthe pour les crues extrêmes et une vanne de fond pour écouler la crue annuelle, laminer beaucoup de crues de période de retour intermédiaire.

Dans ces deux derniers cas, il n’y a pas besoin d’opérateurs permanents et des erreurs de gestion ou des blocages des vannes auraient des conséquences réduites. Economies sur les vannes

Il y a eu beaucoup de progrès ces dernières années dans la conception des vannes. Des progrès supplémentaires pourraient se rapporter à l’amélioration de la sécurité, de l’exploitation et de la maintenance des vannes plutôt qu’à des économies par des améliorations dans la conception de la structure. La solution la plus efficace consiste généralement à utiliser des vannes-segments. Ces dernières peuvent être très grandes, jusqu’à 400 m² de surface par vanne, et le génie civil correspondant constituera une grande part du coût de l’évacuateur. Elles sont souvent aussi préférées pour des vannes de fond à cause de leur utilisation facile pour des charges jusqu’à 50 m. Si les charges sont plus hautes, il faut accorder une grande attention aux problèmes de cavitation et d’érosion par les sédiments ; mais le besoin de gros débits pour des charges supérieures à 50 m est inhabituel. Des vannes-clapets sont fréquentes pour des évacuateurs de surface avec des débits spécifiques en dessous de 20 m3/s par mètre de seuil. Des vannes gonflables ont aussi été utilisées pour de tels débits mais principalement pour augmenter le stockage de barrages

existants. Des clapets supportés par des coussins d’air (Système Obermeyer) ont été développés depuis 1995 et possèdent certains avantages des deux systèmes. Pour éviter le coût d’opérateurs permanents, l’automatisation des vannes a été développée dans différents pays, souvent associée à des calculs de débit et à la gestion des évacuateurs par ordinateur. De telles solutions peuvent être économiquement très efficaces mais des incidents, spécialement dans les conditions correspondantes à des crues exceptionnelles, ne peuvent être totalement évités. Il est donc recommandé, soit de garder des opérateurs disponibles lors des crues soit d’utiliser une automatisation essentiellement pour ajuster de petits débits avec des impacts limités dans les cas possibles de dysfonctionnement. Par exemple, les grandes vannes-segments peuvent être surmontées de clapets à fonctionnement automatique évacuant 10 à 20 % des débits maximaux. Le risque d’accidents mortels à l’aval par ouverture rapide des vannes et donc par augmentation rapide des débits correspondants devrait être toujours à l’esprit quand on conçoit les systèmes d’exploitation. Ce risque est spécialement élevé si le débit est faible ou nul avant l’ouverture des vannes. Généralement, les évacuateurs non vannés laminent les crues entrant dans la retenue. Cependant on doit noter que si une retenue est partiellement vide, le début de la crue remplira le réservoir et le déversement ne se produira que lorsque le débit entrant aura atteint des valeurs élevées. Dans ces conditions, la vitesse d’augmentation du débit à l’aval pourra être supérieure à ce qu’elle aurait été au début de la crue en l’absence de la retenue. Ouvrages d’évacuation de crue à l’aval des seuils

On a utilisé depuis 20 à 30 ans des injections ou entraînement d’air dans les ouvrages fonctionnant avec des vitesses d’eau élevées comme moyen relativement peu coûteux pour éviter les dommages dus à la cavitation. La réduction des érosions à l’aval peut être obtenue par : - Mélange d’eau et d’air dans les déversoirs labyrinthes. - Utilisation de parement aval en marches d’escalier sur les évacuateurs à pente normale.

L’effet est diminué si la lame déversante est plus haute que la hauteur des marches et des améliorations pourraient probablement être apportées si les débits peuvent être dispersés de manière tridimensionnelle, peut-être en utilisant des blocs disperseurs, plutôt que juste en 2 dimensions.

- Association de déversoirs labyrinthes et d’évacuateur en marches d’escalier. 3.4.7. Choix de la crue de projet et de la crue de vérification basé sur des analyses simplifiées de coût Trois éléments essentiels sont souvent négligés dans les règlements ou analyse des risques : l’incertitude dans l’évaluation des crues, le risque d’une manœuvre incorrecte des vannes et les coûts. Deux exemples sont présentés ci-dessous pour illustrer leur importance dans le choix des projets et dans la sélection des périodes de retour pour la crue de projet et la crue de vérification. - Le premier exemple se réfère à un barrage en terre vanné dans un bassin versant de 1 000

km², avec un stockage de 100 hm3 et une CMP de 7 000 m3/s, la moitié du maximum

mondial pour cette surface. L’évaluation de la crue de différentes probabilités pourrait être (par exemple) dans la gamme de :

Période de retour (an)

10 102 103 104 105 106 107

q (m3/s) 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 Les calculs ci-dessous peuvent être facilement ajustés pour d’autres évaluations de crue. Un projet traditionnel admet un évacuateur vanné pour la crue de projet millénale de 3 000 m3/s. Le coût de l’évacuateur correspondant est au moins de 5 000 USD par m3/s, ce qui donne un total de 15 millions d’USD. En supposant une durée de vie du barrage de 100 ans, il y a une probabilité d’environ 10 % d’avoir un débit supérieur mais la probabilité de rupture est réduite par la revanche, par exemple elle ne serait que de 2 %. Comme il y a, et il y en aura toujours, une sérieuse incertitude dans l’évaluation de la crue, la véritable probabilité pourrait bien être entre 0,5 % et 5 %. Il y a une probabilité de risque supplémentaire de rupture, lié au blocage des vannes, de l’ordre de 10-4 par an ou de 1 % en 100 ans. Plus de 0,2 % des barrages en remblai vannés existants se sont rompus pour cette raison. Le vrai risque de rupture pour ces barrages durant un siècle est donc compris entre 1 et 5 %. Les règlements imposant une crue de projet de probabilité 10-5 au lieu de 10-3 augmenteraient le coût de 2 000 m3/s x 5 000 USD = 10 millions USD, mais le vrai risque de blocage des vannes n’est pas beaucoup réduit. Par ailleurs, il est douteux que le risque humain soit globalement réduit si le risque causé par les accidents mortels affectant la main d’œuvre pour ces 10 millions USD de travaux supplémentaires est comparé à la diminution du risque de rupture du barrage. L’impact de la rupture de barrage en remblai due à des crues ou à des erreurs d’exploitation est maintenant plus faible qu’auparavant grâce aux prévisions météorologiques et aux télécommunications. Le coût par m3/s d’évacuateur de secours pour la crue de vérification peut être (voir les chiffres en 3.3.5. ci-dessus) entre 10 et 50 % du coût par m3/s de l’évacuateur de base. Une variante pourrait donc être de choisir un évacuateur vanné pour une crue de projet de 2 500 m3/s et une période de retour de 500 ans, et un évacuateur de secours à seuil libre, par exemple avec des seuils labyrinthes ou des éléments fusibles déversant sur une partie de faible hauteur du barrage en remblai revêtu à cet endroit par du BCR pour les 2 500 m3/s complémentaires, donnant une capacité totale de 5 000 m3/s avec une période de retour de 105

ans pour la crue de vérification. En supposant que le coût par m3/s d’un évacuateur de secours soit 20 % de celui d’un évacuateur vanné, le coût d’un évacuateur de secours serait de 2 500 x 20 % x 5 000 = 2,5 millions USD, soit le même que l’économie réalisée en réduisant l’évacuateur vanné de : 500 m3/s x 5 000 USD. La probabilité de rupture à cause d’un blocage de vanne est réduite effectivement à zéro, grâce à l’évacuateur de secours, et la probabilité de rupture en 100 ans est 10-5 x 100 = 10-3. Même avec l’incertitude dans l’évaluation des crues, le risque est beaucoup plus faible que dans solution précédente et le coût est réduit de 10 millions d’USD. - Un autre exemple s’applique à un barrage en terre non vanné dans un bassin versant de 100 km² avec une CMP de 2 000 m3/s (la moitié du maximum mondial pour une telle surface) et une évaluation des crues de période de retour donnée dans la gamme de :

Période de retour (an) 10 102 103 104 105 106

q (m3/s) 300 600 900 1 200 1 500 1 800 Si on choisit une crue de projet égale à 800 m3/s, pour une période de retour de 500 ans environ, et un évacuateur avec un seuil Creager traditionnel de 100 m de longueur, la hauteur de la lame d’eau sera de 2,5 m. Si une revanche de 1,5 m est ajoutée, la probabilité de rupture devient très faible. Un débordement de la crête de 0,5 m nécessiterait une lame de 2,5 + 1,5 + 0,5 = 4,5 m, et en sens inverse, un débit de crue voisin de la CMP. Des règlements imposant une crue de projet de probabilité de 10-4 seraient probablement coûteux et sans aide. Une variante pourrait être de choisir la CMP comme crue de vérification, la crue centennale comme crue de projet et d’utiliser un évacuateur labyrinthe de 50 m de long à la place du profil Creager de 100 m de long. Le coût supplémentaire pour un évacuateur en forme de labyrinthe, disons 500 m3 de béton armé, sera beaucoup plus faible que l’économie réalisée sur la longueur de l’évacuateur. La crue de projet de 600 m3/s, ou 12 m3/s par mètre linéaire du seuil labyrinthe, nécessitera une lame de 1,5 m, soit 1 m de moins que dans le cas précédent et donc 1 m de plus de stockage. Avec la même revanche de 1,5 m et le même critère de rupture, une lame totale de 1,5 + 1,5 + 0,5 = 3,5 m serait nécessaire pour provoquer la rupture. Le débit serait alors de 2 000 m3/s environ soit la même que pour la solution de base. La sécurité pourrait être améliorée, ou le coût réduit, en raidissant la crête du barrage. Il semble donc possible, en modifiant les critères de projet et en utilisant de nouvelles solutions, d’augmenter significativement le stockage et la sécurité tout en réduisant les coûts. 3.4.8. Blocage des vannes Même en prenant grand soin, avec une bonne maintenance et un bon entraînement de l’opérateur, le risque de blocage d’une ou de toutes les vannes de l’évacuateur ne doit pas être négligé. Il semble approprié, même si toutes les vannes sont fermées, d’être capable d’évacuer encore une crue significative, par exemple la crue centennale, sans provoquer la rupture du barrage. Ceci favorise l’emploi d’évacuateurs supplémentaires de secours. 3.4.9. Mesures non structurelles Le Bulletin E02 de la CIGB publié en 2000 a analysé les mesures non structurelles qui peuvent souvent être plus efficaces du point de vue du coût que les investissements pour des structures supplémentaires, spécialement pour la gestion des crues. Elles comprennent : - Pour les vannes : maintenance, redondance des systèmes de manœuvre, et entraînement des

opérateurs. - Pour l’atténuation des crues : scénarios de gestion et systèmes d’alarme. Beaucoup d’études, théories et règlements se réfèrent aux possibles décès causés par les ruptures de barrage dues aux crues et beaucoup d’investissements ont été réalisés à ce propos. Ce problème a été et reste très sérieux. On doit cependant considérer certains commentaires utiles :

- La plupart des décès (peut-être 90 %) provoqués dans le passé par les ruptures de barrages en remblai dues aux crues auraient été évités par les prévisions modernes de temps et de crues et par l’usage des télécommunications modernes.

- Dans le monde, les risques futurs de décès dus aux barrages et aux crues peuvent

globalement être plus élevés à cause de manœuvres incorrectes de vannes pour les faibles débits ou à cause des lâchers de crue millénale ou décamillénale afin de ne pas mettre en danger le barrage, plus qu’à des ruptures de barrage dont la probabilité est très réduite. Il peut parfois être économiquement plus efficace de consacrer plus d’argent pour atténuer les crues, pour les systèmes d’alarme, pour l’entraînement des opérateurs ou pour la maintenance des vannes plutôt que pour l’augmentation de capacité des évacuateurs. Le risque d’accidents mortels pour les travailleurs durant la construction ne devrait pas non plus être négligé quand on évalue tous les risques de pertes humaines. Les travaux d’amélioration peuvent aussi causer parfois des risques temporaires supplémentaires pour les barrages.

3.4.10. Conclusion pour les évacuateurs de crue Les critères traditionnels pour les évacuateurs de crue peuvent justifier une révision. Il existe beaucoup de possibilités d’améliorations peu coûteuses concernant leur sécurité et efficacité basées sur les leçons tirées des ruptures passées et l’analyse des conditions qui prédomineront dans le futur. L’influence des coûts et les incertitudes dans l’évaluation des crues devraient être mieux prises en compte. Il est plus efficace, du point de vue du coût, et aussi plus sûr, de choisir une très rare crue de vérification et d’accepter une crue de projet de probabilité annuelle de 1/100 à 1/500. Il existe beaucoup d’options pour réduire les coûts mais il n’y a pas une solution normalisée étant donné l’extrême diversité de types de barrage. On doit donc passer plus de temps sur les projets pour analyser des solutions variées, au-delà des solutions traditionnelles, si ont veut réduire les coûts d’investissement. Pour l’amélioration des barrages, les études de coût, pour analyser beaucoup de solutions, pourraient être une part importante du coût des travaux correspondants. 3.5. Influence de la sédimentation sur les projets de barrage Ce chapitre se réfère aux barrages de grande et de petite hauteurs et aux grandes ou petites retenues. 3.5.1 Généralités De forts pourcentages de sédimentation de beaucoup de réservoirs et l’attention portée à leur durabilité à long terme ont donné de l’importance à ce problème. Certaines données correspondantes ont été mal utilisées, spécialement par des organisations anti-barrages, pour insinuer que l’utilité des barrages dans le monde va vers sa fin. Il est donc important d’évaluer l’influence réelle de sédimentation des retenues et de l’efficacité économique des différentes solutions pour réduire ce problème. Les principaux problèmes sont : - La perte de stockage de la retenue. - Les dommages causés aux turbines. - L’influence sur le lit de la rivière à l’aval.

Le volume total stocké dans le monde est d’environ 7 000 km3 dont 3 000 km3 de tranche morte pour l’hydroélectricité ; sur les 4 000 km3 restants de volume utile, la plus grande partie est consacrée à l’hydroélectricité, 1 000 à l’irrigation et à l’alimentation en eau, et une partie dans des réservoirs à but multiple. Le nombre de barrages d’irrigation est plus grand que celui pour l’hydroélectricité mais le volume moyen stocké pour l’irrigation est beaucoup plus petit. Le volume annuel de sédiments transportés dans toutes les rivières du monde est évalué entre 20 et 40 milliards de tonnes pour des apports de 40 000 km3, soit un transport moyen de 0,5 à 1 tonne pour 1 000 m3 d’eau, mais ce dernier pourcentage varie énormément selon les rivières et les débits dans l’année. Toutes les rivières ne comportent pas de barrage et tous les sédiments ne sont pas retenus dans les réservoirs, mais plusieurs barrages peuvent être concernés le long de la même rivière. Le volume des sédiments stockés dans toutes les retenues du monde a été évalué, grossièrement et de façon typique, à 1 000 km3 pour les barrages qui ont 40 ans, soit par an de l’ordre de 20 à 30 milliards de m3, donc 0,3 à 0,5 % du volume stocké total. Toutefois, ceci ne signifie pas que tous ces réservoirs seront complètement remplis par les sédiments dans 200 ans parce qu’un réservoir rempli de sédiments en 50 ans n’en contiendra pas 4 fois plus dans 200 ans, et beaucoup de retenues ne seront pas remplies dans 500 ans. La plupart des dépôts concernent les réservoirs hydroélectriques, en partie dans la tranche morte. La perte d’énergie n’est pas proportionnelle à la perte de stockage. La perte d’énergie serait de l’ordre de 0,2 % par an sur un investissement total pour les réservoirs hydroélectriques d’environ 1 000 milliards d’USD, soit une perte de 2 à 3 milliards d’USD par an. La perte annuelle de stockage pour les retenues pour l’irrigation, peut-être 5 à 10 milliards de m3, a un impact direct sur les volumes pour l’irrigation. Pour un investissement moyen de 0,5 USD/m3, la perte annuelle pourrait être de l’ordre de 3 à 5 milliards d’USD. Il y a aussi le coût des dommages à l’aval et, peut-être pour 10 % des usines hydroélectriques des pertes d’énergie, de coût d’entretien et d’usure de turbine. La perte totale annuelle due aux problèmes de sédimentation semble donc être comprise entre 10 et 15 milliards d’USD et par conséquent mérite une grande considération. Elle devrait cependant être comparée aux coûts annuels et aux bénéfices totaux des barrages, à savoir : - Quelques 40 milliards d’USD pour la construction et 20 milliards USD pour l’exploitation,

la maintenance et l’amélioration des aménagements (en supposant 1 % des 2 000 milliards d’USD), soit un coût total de 60 milliards d’USD.

- Quelques 150 milliards USD de fourniture d’électricité (en supposant 3 000 TWh x 0,05 USD) et 50 à 100 milliards d’autres bénéfices comprenant en particulier la nourriture pour plus de 500 millions de personnes grâce à l’irrigation.

Concernant les barrages dans le monde, la perte totale de 10 à 15 milliards d’USD par an due à la sédimentation devrait donc être comparée aux coûts globaux de 60 milliards d’USD et au bénéfice total de plus de 200 milliards d’USD par an.

Une grande attention accordée aux problèmes de sédimentation est de toute façon justifiée pour les raisons suivantes : - Les coûts sont élevés et une meilleure connaissance basée sur l’expérience de divers pays

favorise une réduction de ces problèmes. - Le risque de sédimentation est élevé dans beaucoup de zones où les prochains barrages

seront construits. - Outre l’optimisation économique, le soin apporté à leur durabilité sur le long terme est un

élément-clé de l’acceptabilité future des barrages. Dépenser jusqu’à 10 milliards d’USD par an pour les barrages existants ou nouveaux pour réduire les conséquences de la sédimentation apparaît comme raisonnable. Le coût de certains nouveaux barrages pourrait être augmenté de bien plus de 20 % pour diminuer les risques élevés dus à la sédimentation. Les risques varient énormément avec : - Le taux moyen de sédiments transportés par la rivière, qui est en dessous de 0,1 tonne pour

1 000 m3 d’eau pour plus de la moitié des barrages et près, ou plus, de 5 tonnes pour 1 000 m3 d’eau pour quelques 10 % d’entre eux.

- La dimension hydrologique de la retenue, c’est-à-dire le rapport entre le volume de la retenue et l’apport moyen annuel.

- La granulométrie et le contenu en quartz des sédiments. - Les conditions environnementales à l’aval. Les problèmes et solutions ne sont pas les mêmes pour : - Les barrages pour l’irrigation où le problème majeur est la perte de stockage, mais le

réservoir peut être vidé souvent chaque année : ceci favorise la réduction de l’envasement grâce à l’évacuation des apports par des pertuis de fond (voir ci-dessous).

- Les barrages de faible hauteur pour l’hydroélectricité qui ne sont pas gérés de la même façon que les barrages pour l’irrigation.

- Les barrages hydroélectriques de grande hauteur où le niveau de la retenue peut ne pas varier beaucoup dans l’année et dont un problème-clé est probablement l’usure des turbines. Dans ce cas, le revenu financier n’est pas diminué autant que le volume d’eau stockée.

- Les barrages à but multiple pour lesquels la réduction des envasements peut être plus difficile.

3.5.2 Données sur les apports solides Beaucoup de dommages ou de pertes de retenue dans le passé à cause de la sédimentation sont en fait liés à une évaluation incorrecte du volume et des dimensions des sédiments et auraient pu être réduits par des projets et des exploitations bien adaptés aux circonstances. L’évaluation des apports en sédiment est difficile parce que leur contenu varie considérablement pour une même rivière selon les écoulements et les saisons. Ces apports peuvent être plus importants durant la première partie d’une crue et les apports totaux varient suivant les années. Il est donc essentiel de consacrer assez de temps et d’argent à ce problème et de choisir la bonne méthode et le bon emplacement pour les mesures. Toutefois le résultat ne peut être précis et le projet devrait tenir compte de certaines incertitudes. De meilleures

données pourront être obtenues durant les premières années d’exploitation et favoriseront une gestion optimisée du réservoir. 3.5.3 Implantation générale des ouvrages Lorsque les problèmes de la sédimentation peuvent être importants, ils devraient être pris en compte pour l’implantation des différents ouvrages, tels que : prise d’eau, vannes de fond, évacuateurs de crue et même probablement le choix du site du barrage et l’utilisation globale de la rivière. Placer la retenue principale sur un affluent est parfois la meilleure solution. Des essais sur modèle hydraulique bien appropriés peuvent être très utiles pour optimiser l’implantation et le calage des vannes et pour étudier les options pour la gestion du réservoir. 3.5.4 Evacuation des apports par des pertuis de fond Le taux de sédimentation des retenues est plus important pour celles qui stockent une part réduite des apports annuels. Pour les réservoirs agricoles qui peuvent être vidés chaque année à la fin de la saison sèche, il est souvent conseillé d’utiliser l’évacuation des apports par des pertuis de fond, c’est-à-dire de garder le réservoir vide durant la première partie de la saison des crues en exploitant la rivière de manière aussi proche que possible des conditions naturelles et d’éviter ainsi la plus grande part de la sédimentation. Le coût supplémentaire pour les vannes de fond correspondantes est d’habitude de quelques pour cents de celui du barrage, mais beaucoup plus élevé si elles sont construites après quelques années d’exploitation. Cette solution est souple, soucieuse de l’environnement et peut s’appliquer pour beaucoup de barrages. Le dimensionnement optimal des vannes pour l’évacuation des apports par des pertuis de fond mérite une étude spécifique pour chaque barrage, fonction de l’hydrologie, du but du barrage et des données sur les sédiments. Pour beaucoup de barrages, ces vannes peuvent servir aussi bien pour l’évacuation des apports par des pertuis de fond que pour des chasses (voir ci-après). 3.5.5 Dérivation des crues L’évacuation des apports par des pertuis de fond ne peut s’appliquer qu’à des retenues pratiquement pleines tout le temps. La dérivation d’une partie des débits de crue (quand elles sont significativement chargées en sédiment) par une galerie court-circuitant la retenue, sur toute ou partie de sa longueur, peut être économiquement efficace, spécialement si la qualité du rocher permet de ne pas la revêtir, ou de la revêtir partiellement, et si la pente ou les méandres de la rivière permet d’avoir des galeries courtes. Un autre avantage de cette solution est que la plupart des investissements correspondants pourraient être faits durant l’exploitation de l’aménagement quand le besoin peut être évalué avec plus de précision. Inversement de telles galeries peuvent parfois être utilisées aussi comme galeries de dérivation provisoire pendant la construction. De telles solutions sont bien développées au Japon. Des chenaux de dérivation peuvent être utilisés à la place des galeries pour les tronçons inférieurs des très grandes rivières. 3.5.6 Dessablement des eaux turbinées L’usure des turbines par des sédiments peut être importante si la charge est supérieure à 20 m et devient très importante pour les hautes chutes, spécialement si le pourcentage en quartz des sédiments est élevé. Dans certains cas passés, les turbines ont subi des abrasions si

importantes qu’elles ont été mises hors d’usage juste au bout de quelques mois d’exploitation. Ceci a conduit à d’importantes pertes financières dues à la baisse des revenus tirés de la production électrique et aux coûts de réparation. Il est donc nécessaire d’utiliser des ouvrages de dessablement, tels que les bassins de décantation (dégraveur-dessableur), pour éviter de conduire les sables et silts vers la centrale. Des ouvrages énormes, souvent en souterrain, ont été installés. Beaucoup ont eu deux inconvénients : ils étaient coûteux et leur efficacité était discutable. La plupart d’entre eux ont été réalisés avec des trémies de décantation et une chasse permanente des sédiments dans le but d’enlever les particules de diamètre supérieur à 0,2 mm, grâce à des vitesses d’eau réduites à environ 0,2 m/s sur une longueur d’environ 200 m. En réalité, l’efficacité réelle des trémies a été souvent beaucoup plus faible qu’anticipée ; mais l’inconvénient majeur est le fait que des particules de diamètre de 0,1 mm peuvent aussi éroder les turbines et que la vitesse d’eau conseillée dans un bassin de décantation pour les retenir plus efficacement devrait être de l’ordre de 0,05 m/s. Ceci n’apparaît économiquement possible que si la retenue elle-même est utilisée comme ouvrage de décantation et conçue en conséquence. On peut obtenir des réductions d’usure complémentaires des turbines par des conceptions mécaniques spécifiques et des revêtements. Une analyse critique approfondie des ouvrages usuels de dessablement est donc essentielle. 3.5.7 Chasse Les chasses augmentent la vitesse de l’eau à travers la retenue pendant un certain temps afin d’éroder et d’évacuer les dépôts de sédiment. Leur efficacité dans le monde varie considérablement et, du point de vue économique, elle semble dépendre principalement des conditions suivantes : - Un rapport entre le volume de la retenue et celui des apports annuels inférieur à 20 ou 30 %. - Un rapport entre le volume de la retenue et celui des apports annuels de sédiment en dessous

de 20 pour des évacuations précoces par des pertuis de fond et en dessous de 50 pour des évacuations tardives par des pertuis de fond.

- Une pente significative de la rivière. - Une vallée plutôt étroite dans la zone de la retenue. - Un impact acceptable à l’aval. Les chasses réussies concernent donc principalement les tronçons de rivière en partie haute ou moyenne. Le choix, le projet et le calage des vannes de chasse est un problème-clé pour cette opération. Pour des vannes opérant sous haute charge, le problème d’usure ou de cavitation par des sédiments érosifs peut être important. Pour des barrages de faible hauteur, les vannes devraient être proches du lit naturel de la rivière. Pour les barrages hydroélectriques de grande hauteur, le niveau optimal des vannes de chasse peut être de 20 à 40 m sous le niveau maximal de la retenue, mais il est plus généralement dicté par le niveau minimal d’exploitation. Un inconvénient des chasses est souvent l’impact à l’aval dû aux changements non négligeables des écoulements et des pourcentages en sédiment. De tels inconvénients peuvent empêcher ou limiter beaucoup d’occasions de chasses. En général les chasses ne peuvent éviter l’envasement dans une partie du réservoir mais peuvent, après quelques années, amener à un équilibre entre les sédiments entrant et les sédiments sortant de la retenue.

Des chasses dans les grandes retenues hydroélectriques servent principalement à déplacer les sédiments de la tranche utile vers la tranche morte et donc à conserver une capacité de stockage suffisante dans la partie haute de la retenue pour pouvoir produire les pointes d’électricité journalières. La largeur (en mètres) des chenaux créés par les chasses dans les dépôts de silt est de l’ordre de 10 q0,5 (où q est le débit en m3/s) et peut donc être égale à 100 m ou plus. Elle est plus petite si les chasses ne sont effectuées que quelques années après la consolidation des silts. Pour chaque site, l’efficacité et l’exploitation optimale des chasses peuvent être difficiles à définir exactement au moment du projet, mais le coût des organes de chasse n’est souvent qu’une petite partie de l’investissement principal. La capacité des organes de chasse sera faible comparée à celle de l’ensemble des ouvrages d’évacuation, mais l’ajout ultérieur de ces organes pourrait être difficile et très coûteux. 3.5.8 Dragage Le coût total pour créer des réservoirs a été de l’ordre de 2 000 milliards d’USD pour 4 000 milliards de m3 de volume utile, soit un coût moyen de l’ordre de 0,5 USD/m3 et le coût du dragage est généralement bien au-dessus de 2 USD/m3 de sédiment. Le dragage ne peut donc être la solution standard. Toutefois cette option ne devrait pas être négligée, par exemple avec l’utilisation de «l’hydrosuccion», pour les petits réservoirs d’irrigation, et de gros matériels de dragage fabriqués sur mesure pour les grands aménagements hydroélectriques. Pour les petits barrages pour l’irrigation, les coûts de dragage sont réduits si on évite le matériel de pompage quand la charge du réservoir peut être utilisée jusqu’à 8 ou 9 m. Dans les pays asiatiques où la main d’œuvre est peu chère, le coût par m3 d’enlèvement des sédiments, qui comprend principalement celui des tuyaux et de petits pontons travaillant en eau calme, est acceptable. L’efficacité peut être améliorée par des entrées de tuyau spéciales. Il y a cependant des limitations possibles telles que la longueur des tuyaux, la longueur du réservoir à dévaser, la profondeur des sédiments et les pertes d’eau. Ce dernier peut être le facteur limitant parce que la concentration des sédiments dans le tuyau est généralement en dessous de 10 %. Cette solution d’hydrosuccion s’applique principalement à de petits réservoirs stockant une petite partie des apports solides, disons de 10 000 à 100 000 m3 de sédiment par an. Cette solution peut être aussi utilisée pour vider les bassins de décantation.

Pour l’hydroélectricité, le coût du dragage devrait être comparé aux gains de production électrique et aux coûts d’exploitation et non aux gains de volume stocké. Par exemple pour un barrage de grande hauteur fournissant de l’énergie sous 100 m de chute avec un apport annuel de 10 milliards de m3, dont 80% génèrent du courant, le productible est de l’ordre de 2 TWh pour une valeur de 100 millions d’USD. Si la perte d’énergie et les dommages dus à la sédimentation sont de 20 % de ce montant, soit 20 millions d’USD, et le contenu en sédiment de la rivière est supposé de 2 tonnes par 1 000 m3, soit 20 millions de tonnes par an avec une moitié se déposant dans la retenue, il peut être rentable de draguer 10 millions de tonnes par an si le coût du dragage est inférieur à 2 USD/tonne. De tels coûts peuvent être obtenus par des matériels spécifiquement adaptés aux conditions du réservoir. Le coût peut être bas pour draguer les matériaux fins en eau calme, avec de l’électricité et avec des charges réduites de 7 à 8 m en utilisant une partie de celle du réservoir. Le matériel peut être utilisé pendant de nombreuses années après le remplissage

partiel de la retenue. Un investissement pour le matériel de dragage égal à 5 à 10 % de celui pour le barrage et l’usine, soit 50 millions d’USD pour le dragage, est justifié. Dans ce cas le volume d’eau nécessaire pour le dragage serait d’environ 5 fois le volume des sédiments. Cette solution pourrait être étudiée pour beaucoup de futurs aménagements hydroélectriques comme une alternative aux coûteux bassins de décantation, qui nécessitent aussi dès le départ des coûts d’investissement considérables. Le matériel de dragage peut être aussi conçu selon l’envasement mesuré précisément durant les premières années d’exploitation de la retenue. L’impact sur l’environnement est beaucoup plus faible que pour les chasses. Le dragage peut être utilisé pour enlever plus de 10 millions de m3 de sédiment par barrage et par an. On pourrait laisser des orifices dans le barrage ou les rives pour les tuyaux de dragage afin de réduire la charge nécessaire pour cette opération. 3.5.9 Choix des solutions Il n’y a pas de solution standard et des variantes différentes doivent être étudiées pour tenir compte des incertitudes dans l’évaluation des envasements. L’étude ne doit pas se limiter à 20 ou 50 ans et on doit considérer aussi les conséquences à long terme et les conditions en fin de service de l’aménagement. Associer plusieurs solutions peut être le meilleur choix. On fait certaines suggestions ci-dessous pour trois aménagements habituels probables dans le futur : - La plupart des «grands barrages» existants sont des barrages de faible hauteur pour l’irrigation construits en Asie avec plutôt de petites retenues, disons de quelques millions de m3 ou de quelques dizaines de millions de million m3. Beaucoup d’autres seront construits dans le monde. Si la retenue stocke la plus grande part des apports annuels, même avec des pourcentages en sédiment supérieurs à la moyenne mondiale de 0,5 à 1 tonne par 1 000 m3, la durée de vie utile de la retenue peut être bien au-dessus de 100 ans. Mais les retenues qui stockent 10 ou 20 % des apports annuels peuvent être à moitié envasées en quelques dizaines d’années. Dans beaucoup de pays, spécialement en Asie, les crues et la plupart de la sédimentation se produisent juste en quelques mois durant la saison des crues. Garder la retenue vide durant la première partie de la saison des crues pourrait plus que doubler la durée de vie utile de la retenue. En utilisant l’hydrosuccion on pourrait encore augmenter cette durée. Ceci nécessite, au stade de la construction, de prévoir des vannes de fond pour pouvoir évacuer les sédiments par des pertuis et/ou des tuyaux à travers le barrage pour l’hydrosuccion. Ceci peut aussi être justifié s’il y a un sérieux problème concernant l’importance du phénomène de sédimentation. L’évacuation des sédiments par des pertuis de fond, souvent réalisée en Chine, pourrait être utilisée sur la plupart des retenues pour l’irrigation soumises à la sédimentation. - Dans les tronçons de rivière à forte pente, beaucoup d’aménagements hydroélectriques utilisent un barrage de faible hauteur vanné, une galerie d’amenée et une usine de haute chute. La petite retenue fait l’objet de chasses pour évacuer les sédiments charriés par le fond mais les eaux dérivées vers la centrale comprennent souvent des particules jusqu’à 1 à 2 mm qui peuvent causer de sévères dommages aux turbines et augmentent jusqu’à 20 % ou plus le coût total du kWh. De grands dessableurs souterrains à fonctionnement continu ont été utilisés avec une vitesse de l’eau de 0.20 m/s sur une longueur de 200 m pour limiter le diamètre des particules à environ 0,2 mm. Leur efficacité a été souvent inférieure à celle qui était prévue et les particules de 0,1 mm peuvent de toute façon être nuisibles, spécialement si elles comprennent un pourcentage élevé de quartz.

Il peut être plus économiquement efficace d’utiliser la retenue principale elle-même pour la décantation. Par exemple si le débit turbiné est de 50 m3/s, un bassin de décantation naturel de 500 m de long peut être créé dans la rivière entre un barrage vanné à l’aval et un barrage non vanné à l’amont. Le profil en travers de la retenue, pour une vitesse d’eau de 0.05 m/s serait au moins de 1 000 m² (50/0,05), soit une retenue de près d’un million de m3 et un barrage de 15 à 25 m de hauteur. Une galerie de dérivation, de 500 à 1 000 m le long de la rivière avec une section d’environ 50 m², formerait by-pass pour le bassin pour les débits supérieurs à 50 m3/s et serait contrôlée par la vanne amont. Elle détournerait presque tous les apports charriés par le fond et une grande partie des apports annuels de silt et de sable. Les sédiments déposés dans le bassin seraient évacués par des chasses durant quelques jours par an, peut-être durant les week-ends. Certains jours dans l’année durant lesquels les crues excèdent la capacité de la galerie, celle ci et la galerie d’amenée à la centrale pourraient être fermées et les crues évacuées par les pertuis du bassin. - Beaucoup de futurs grands aménagements hydroélectriques seront basés sur des barrages de 50 à 200 m de hauteur sur de grandes rivières avec une centrale utilisant des charges de l’ordre de 100 m et avec de gros débits. Si le réservoir stocke moins que 10 % des apports annuels de plusieurs milliards de m3, il pourrait être envasé en quelques douzaines d’années ou moins. L’aménagement est probablement conçu pour fonctionner à plein temps durant quelques mois de la saison des pluies et pour produire principalement de l’énergie de pointe journalière durant la saison sèche. Il peut être aussi nécessaire d’éviter le passage des silts et sables à travers les turbines. De grands bassins de décantation artificiels sont très coûteux pour les grands débits correspondant à ces aménagements et ils ne peuvent pas retenir les particules plus petites que 0,2 mm. L’utilisation d’environ 1 à 2 km de la partie aval de la retenue comme bassin de décantation, avec des sections de l’ordre de 10 000 m², disons par exemple de 25 m de profondeur sur 400 m de largeur, peut être économiquement beaucoup plus efficace. De tels aménagements pourraient justifier des matériels de dragage spécialement conçus. De plus, les investissements de départ et les incertitudes associés avec les grands dessableurs artificiels sont considérablement réduits. Les chasses par des vannes, de 25 à 50 m sous le niveau maximal de la retenue, peuvent être aussi efficaces, du moins pour garder assez de volume de retenue pour produire les pointes d’énergie, mais peuvent être empêchées ou limitées pour des raisons environnementales à l’aval. La perte correspondante d’eau sera généralement plus grande qu’avec le dragage. L’association d’un dragage et des chasses exceptionnelles peut être la meilleure solution avec un investissement de départ faible et avec des investissements pour le dragage adaptés en fonction de la vitesse réelle de sédimentation. 3.5.10 Conclusion pour la réduction de la sédimentation L’envasement des réservoirs n’est pas globalement aussi préjudiciable que parfois proclamé mais c’est un problème sérieux pour beaucoup de réservoirs, spécialement en Asie où la plupart des futurs barrages seront construits. Au-delà de l’optimisation économique, les exigences pour la durabilité à long terme favorisent les mesures pour atténuer ce problème. Elles peuvent varier sensiblement avec le site du barrage, le but et l’exploitation de la retenue. La gestion de la sédimentation peut influencer non seulement le projet des ouvrages mais aussi le choix du site du barrage et même son implantation générale. Les études devraient tenir compte de certaines incertitudes inévitables dans l’évaluation de la sédimentation. Les évacuations des apports par des pertuis de fond peuvent être efficaces pour beaucoup de barrages d’irrigation. Des galeries de dérivation définitives, des chasses et/ou dragages peuvent être économiquement efficaces selon les conditions spécifiques locales. Le

dessablement des eaux turbinées mérite une analyse de l’efficacité réelle des ouvrages existants. L’utilisation de la retenue elle-même pour le dévasement peut être économiquement efficace. La combinaison des solutions convient souvent. Une analyse de la durabilité à long terme est conseillée même si le risque est plutôt faible. Elle peut justifier des investissements faibles au départ, tels qu’une augmentation des capacités des vannes de fond, des tuyaux à travers le barrage pour un futur dragage, des prises d’eau pour d’éventuelles galeries etc. Tout ceci réduira considérablement les futurs investissements et permettra d’ajuster le traitement de l’envasement à celui qui sera réellement mesuré. Des progrès dans la réduction des envasements seront obtenus grâce aux données et informations sur le coût réel et l’efficacité des différentes solutions utilisées avec succès à travers le monde, et même mieux, grâce aux difficultés rencontrées et aux modifications qui ont du être réalisées sur les ouvrages définitifs pour pouvoir les résoudre.

4. CONCLUSION GENERALE - Chaque barrage est construit avec des matériaux locaux dans des conditions physiques

spécifiques. L’optimisation du coût nécessite une étude spécifique associant aussi loin que possible le Maître d’ouvrage, le Consultant et l’Entrepreneur.

- Une optimisation des méthodes pour comparer des solutions, une analyse critique des

idées, un refus des solutions normalisées et une adaptation des spécifications aux besoins réels devraient pouvoir apporter des économies.

- Des profils en travers traditionnels et des conceptions usuelles pour le corps des barrages

peuvent être éloignés de l’optimum pour beaucoup de conditions locales spécifiques. - Dans beaucoup de pays où seront construits les nouveaux barrages, les problèmes du

contrôle temporaire ou permanent des crues et les problèmes d’envasement peuvent avoir une influence majeure sur le projet (y compris son implantation générale) et sur les coûts globaux.

- Pour les barrages construits dans des conditions très spécifiques, les critères de projet

méritent d’être complètement révisés, par exemple pour les barrages de faible hauteur sur de très grandes rivières, pour les barrages consacrés uniquement à l’écrêtement des crues, pour les barrages en mer, pour les barrages construits dans des conditions climatiques extrêmes, ces ouvrages seront traités dans un bulletin complémentaire qui analysera aussi les économies dans l’amélioration des barrages.

ANNEXE 1

Commentaires du Comité japonais

ANNEXE 2

Déversoirs labyrinthes

1. Existing labyrinths

One drawback of free overflow spillways is their low specific discharge. A standard Creager type profile will have a unit flow per metre length of spillway close to 2.15 h1.5,where h is the upstream head over the spillway crest in metres. Such spillways are therefore costly due directly to their length and/or indirectly due to the loss of storage or head corresponding to the upstream head depth required for the design flood.

For over 50 years, labyrinth weirs have been used to increase specific discharge at weirs. They are generally conceived and proportioned based on similar design criteria: - Reinforced concrete vertical walls upon a flat base - Trapezoidal layout.

Most are for spillways with design discharges of between 100 and 1 000 m3/s, with walls under 4 m high and with savings in terms of required head above spillway crest level close to 1 m as compared to a standard Creager profile. At least three are much larger structures with walls up to 9 m high and discharges in the range of 10 000 m3/s. The upstream head savings in these cases is close to 3 m.

The behaviour of these structures has been good but this solution has been used for only about 0.2% of all free overflow spillways. The vertical walls of such labyrinths may be built easily but they have three drawbacks: - Vertical walls are not hydraulically favourable for large discharges. - They may require significant reinforcement and base anchorage depending on their

profile and on the hydraulic loading. - While they have been used at some specific dam sites with large flat areas close to the

reservoir, the base plan area they require does not lend itself to use on the crest of typical gravity dam sections. .

2. New solution: P.K. Weirs

Since 2000, studies and model tests have been made in: Algeria, China, France, India, Switzerland and Vietnam for labyrinth designs which may be placed upon normal gravity dam cross sections. The designs produced tried to optimise hydraulic efficiency as well as structural and economic requirements. Over 100 shapes were studied and many solutions proved possible, but the most favourable designs are based upon two principles:

- The layout of walls has a rectangular shape similar to piano keys, justifying the

proposed name of Piano Keys Weirs (or P.K. Weirs). - Those walls orthogonal to the flow are inclined. This is favourable hydraulically

especially for large discharges and also allows the base width of the structure to be reduced, thus favouring its utilisation upon most spillways or gravity dams.

A design which appears cost efficient for most existing or new spillways is represented below. This model (model A) has upstream and a downstream overhangs of equal length.

Hh

The proposed ratio N between the developed plan length of wall and overall spillway length is close to 5. An increase of this ratio does not usually seem cost effective.

Where this ratio of 5 is used, the proportions of other aspects of the P.K. Weir can be taken as follows, based on H (in metres) which is the maximum height of the labyrinth walls, see Fig.1. The suggested upstream head over the weir crest, h, should be between 0.4 H and 2 H.

Within these limits, the discharge per metre of spillway q (in m3/s) is close to q = 4.3 h √H as compared to 2.15 h√h for a Creager weir. It is thus 2 x √ the discharge of a Creager weir for same nappe depth.

As with Creager weirs, the estimated discharge may be reduced by 5 or 10% in the case of short weirs due to interference effects from the end abutments. For h = 0.4 H, the discharge is 3 times the discharge of a Creager weir. For the same discharges, the associated saving in upstream head over the crest as compared with a Creager weir is close to 0.5 H. For the same head h, the increase of discharge is 1.5 to 2.5 H√H. To improve the hydraulic efficiency when the design conditions do not limit the height of the P.K.Weir, it is generally more economic to increase H and to keep same proportions as suggested, rather than to increase the value of the N ratio. Suggested dimensions are of course only indications and are subject to adaptation according to local requirements. P.K.Weir can be made of reinforced concrete, either precast or in situ. In the case of low height walls, thickness may be governed by practical steel fixing requirements. Where H is less than 2 m, it may be simpler to adopt complete steel fabrication, with stiffeners if necessary. Such a solution is certainly advisable where H is less than 1 m. The cost per metre of spillway length is generally proportional to H.

3. Alternative shapes and models

It is possible for about the same cost and discharge, to slightly modify the weir shape as shown on Fig. 2. This favours the early discharge of floating debris and a stepped downstream part of the spillway (Fig. 3).

Other models, also rectangular in plan shape and with walls inclined in the flow direction, have been successfully tested, but with different overhang arrangements. For instance model B has a longer upstream hangover and no downstream hangover, see Fig. 4. This produced a slightly increased discharge for small values of h.

4. Utilisation

Compared to Creager type weir profiles, P.K. Weirs may divide by a factor of about 3 the spillway lengths required at fill dams or by 2 the upstream head required at any weir. For existing free flow spillways they may be used to enhance freeboard and increase safety or to increase storage at low cost. They may be used as emergency spillways associated with an existing or new gated spillway, using the freeboard for discharging part of any exceptional floods. For instance a freeboard of 4 m could be used to discharge an

additional 40 to 50 m3/s per metre of spillway. As there is also much air entrainment in flows from P.K. Weir and other labyrinth structures, energy dissipation is enhanced and, for moderate discharges, any downstream erosion may be much reduced.

Cross section 2-2 (inlet)

Plan view

N = labyrinth ratio = (2 x 3.6 + 1.8)/1.8 = 5

Cross section 1-1 (outlet)

Cross section 1-1 (outlet)

Figure 1 – Design suggestion for P.K. Weir type A (The scale of cross sections is 1.5 the scale of plan view)

Inlet cross section Outlet cross section

Figure 2 – Alternative shapes for P.K. Weir type A

Figure 3 – Alternative shape with downstream steps (Outlet cross section)

1 2

1 2H 0.8H

3.6 H

1.8 H

3.6 H

0.9 H 1.8 H 0.9 H

3.6 H

0.9 H 1.8 H 0.9 H

3.6 H

0.9 H 1.8 H 0.9 H

3.6 H

0.9 H 1.8 H 0.9 H

3.6 H

0.9 H 1.8 H 0.9 H

Inlet cross section Outlet cross section

Figure 4 – Design suggestion for P.K. Weir type B

3.6 H3.6 H

1.8 H 1.8 H1.8 H1.8 H

ANNEXE 3

Blocs fusibles en béton

1. Technical aspect Principle

Concrete fuse plugs are simple massive blocks placed side by side on a spillway sill. They are free standing and stable until the water level in the reservoir reaches a certain elevation and they start tilting when this elevation is exceeded. They may be designed to tilt before being overtopped and, in such a case, will have a significant height compared to their thickness. The present appendix only dealt with concrete fuse plugs which require a significant overtopping before tilting. Such fuse plugs can be designed for overtopping by quite a significant upstream depth ”h”, which can be several times the block height “H”. This type of fuse plug has a significant length and thickness compared to its height. Its upstream upper corners may also be trimmed to ease overflow discharge. Model tests have shown that floating debris has no significant effects on the water levels at time of tilting. Elements, or blocks, placed on the same sill may have the same height but different thickness, so that they tilt at different water elevations. The water elevations for tilting can be calculated quite accurately based on horizontal water loading combined with predictable uplift pressures, To ensure that the magnitude of uplift pressure under each block develop as required, a hollow area can be provided under each block which is wide open at the upstream side and completely closed and watertight at the downstream side, as shown on Fig.1. To ensure that the blocks are correctly bedded in normal use and before tilting, it is necessary to use few unsealed supports under their upstream parts.

General arrangements

Model tests suggest that intermediate walls should preferably be placed between the fuse plugs. These walls, which can be designed as a part of the spillway sill, will help maintain the water nappe over those plugs adjacent to the tipped one. This will also ensure that the water elevations triggering the tipping of each element can be calculated and predicted more accurately. These walls do not need to be very large or thick to be efficient. General arrangements are shown on Figs. 2 to 4. At least 4 to 5 blocks of different thickness should be used along a spillway to give a progressive tilting as the water level rises. To ensure correct tilting and avoid sliding, each block should preferably abut a small support ridge, or abutment fixed downstream on the spillway sill, for example as shown in Fig. 1. Alternatively inclined steel bars can be used, anchored into the sill. Block extremities must be designed to avoid friction against adjacent blocks or the separating walls. This can be achieved in different ways such as by chamfering the extremities so that one face is slightly longer than the other, see Fig. 3. It is advisable to ensure correct aeration of the water nappe to avoid vibration. This is usually simple to achieve by means of pipes embedded into the intermediate walls.

H

LIntermediate walls

Fig.1. Concrete fuse plug overtopped by flood

Fig.2. Front view of the spillway

Fig.3. Plan view of the spillway

Fig.4. Intermediate wall Preliminary design

Model tests already performed have helped establish the ratio between the thickness of a block and the water level at time of tilting. For preliminary purposes the simplified formula;

h = E – 0.4 x H, may be used, where h = the upstream water depth over the fuse plug E = the upstream to downstream base width of the fuse plug, and H = the height of the fuse plug.

h

HAbutment

Few unsealed supports

Flow

1.2 E

E H

E 1.2 E

Abutments

Intermediate walls

This relationship may be used for blocks having the same general shape as described above, with a hollow section of about 10% of the block height H and with a concrete density in the order of 2.3 t/m³. A block with a thickness, E, equivalent to 1.5 times its height H, tilts at a nappe depth h, which is approximately 1,1 times height H. Concrete density variations of 5% will lead to variations of about 10% in the nappe depth at the time of tilting. 2. Construction Blocks can be prefabricated or built in situ. In the case of blocks built in situ on an existing spillway, they can be built, for instance, using a clay plug for improving downstream water tightness, see Fig.5. The construction phases shown on Fig. 5 comprise: 1. Levelling the spillway sill. 2. Laying materials to form the chamber. Such materials may be of any kind provided

they are easy to remove after block concreting. At the downstream extremity, clayey sand will be used to plug possible leakage at the seal location.

3. Laying a plastic membrane above the materials and under the downstream plug area. 4. Concreting the block. 5. Taking out of the materials (except the downstream plug) using few unsealed supports.

Phase 1 Phase 2 Phase 3

Phase 4 Phase 5

Fig.5. Construction phases with clay plug

Another solution for downstream water tightness may be, instead of using a clay plug, to lay a rubber seal on the spillway sill, underneath the downstream extremity of the block, see Fig.6. .

Phase 2 Phase 4

Fig.6. Construction phases with rubber seal

Levelling the sill Random materials Clayed Plastic membrane

Pouring concrete Few supports Seal

Rubber seal Rubber sealPlastic membrane

3. Utilisation and quantities

Scope of Utilisation

Concrete fuse plugs may be used for new dams. In such case, it is possible, with about the same quantity of concrete and cost, to double the flow of the extreme flood discharged through the spillway. They may also be used to improve existing free overflow spillways either by increasing spillage, after lowering the sill, or by increasing reservoir storage (installing higher units) or by combining both, as shown on Figs. 7 and 8.

Existing sill to be removed Concrete fuse plug

Fig.7. Improving safety

Concrete fuse plug

Fig.8. Increasing storage

Existing sill to be removed

Conditions of utilisation

When fixing the design criteria and determining at which flow each block will tilt, the designer has to face two opposite constraints:

- for economic reason, not allowing the blocks to tilt too frequently and lose water, - for safety reason, to keep a reasonable freeboard between the dam crest and the

water level at the time of tilting in the case of the last block.

These criteria have of course to be fixed case by case, depending on local data and on the objective being pursued, but experience has shown that most often;

- concrete fuse plugs should be designed to tilt at floods of between about 1 in 20 years and one in 100 years, or more,

- when heightening an existing free-flow spillway, the block height should not exceed more than about 0.25 times the distance between the dam crest and the spillway sill.

After the tilting of one or several blocks, their replacement by the fabrication of new blocks may take some time, during which corresponding water storage is lost. To remedy such situations it is possible to use temporary flash boards, such as wood boards supported by vertical steel pipes, until new blocks are placed. That can be achieved very quickly, even the day after the flood, provided that appropriate fixing holes for the pipes have been previously drilled into the spillway sill, before placing the initial concrete fuse plugs, and provided that some low cost pipes and boards are stored and available. Quantities

Generally less than 1 m3 of new concrete block are necessary in order to increase discharge capacity by 1 m3/s. For an existing free flow spillway, that also implies that for each 1 m³/s flow increase, about 2 m3 of concrete will need to be removed for every 1 m3 of replacement block. In the case of new dams, it means that using blocks instead of a Creager sill increase significantly the safety for the same concrete quantity and for about the same cost.